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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Wälzlager für Elektromotoren.
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Genauer gesagt, betrifft die Erfindung eine Lageranordnung, die ein wartbares Wälzlager umfasst.
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Es ist üblich, Antriebe mit variabler Frequenz (VFDs) für die Steuerung von Elektromotoren zu verwenden.
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Üblicherweise befinden sich VDFs an einer Ausgangsstufe, die mit dem Stator oder anderen Wicklungen des Elektromotors verbunden ist, und umfassen Isolierschicht-Bipolartransistoren (IGBTs) und/oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), die relativ schnell geschaltet werden und steile Schaltflanken aufweisen.
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Das schnelle Schalten der in VFDs verwendeten IGBTs kann hochfrequente Erdungsströme verursachen, die im Rotor erzeugt werden, durch den Rotor und die Lager fließen und durch Gleichtaktspannungen über Kopplungskapazitäten vom Stator zum Rotor bzw. vom Statorkern zum Statoreisen angetrieben werden.
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Typischerweise ist in einem Elektromotor ein Wälzlager zwischen einem Motorgehäuse und einer rotierenden Welle befestigt, um die Welle zu stützen, und die Erzeugung solcher elektrischer Ströme, die durch das Lager fließen, haben einen erheblichen Einfluss auf dessen vorzeitigen Ausfall.
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Schmiermittel, wie z. B. hydrodynamische Filme, sind im Allgemeinen im Inneren des Wälzlagers vorgesehen, so dass sie die Wälzkörper von den Laufbahnen der Innen- und Außenringe trennen, um dem Fluss des elektrischen Stroms zu widerstehen. Dies führt zu einer Potenzialdifferenz über das Wälzlager, so dass sich ein Lager mit vollständig durch das Schmiermittel getrennten Kontakten wie ein zusätzlicher Kondensator verhält, der dem Fluss des Stroms zur Erde widersteht.
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Nachdem eine bestimmte Spannungsgrenze erreicht ist, leiden die Schmierölfilme jedoch unter einem elektrischen Durchschlag, der zu einem Entladungsereignis im Inneren des Lagers führt.
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Die elektrischen Stromentladungen verursachen mikroskopische Oberflächenschäden, die die Oberflächenrauheit der Wälzkörper und der Innenring- und Außenringlaufbahnen des Wälzlagers erhöhen.
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Die Anzahl der Entladungsereignisse und die Energie hinter jeder Entladung bestimmen die Anzahl der Oberflächengruben und Mikrokrater sowie jeweils die Größe und Tiefe jedes Mikrokraters. Mit der Zeit entwickelt sich dieser Oberflächenschaden zu Graumattierung und in bestimmten Fällen zu einer Riffelung, die auch als Waschbrett bekannt ist. Durch die erhöhte Rauheit in der Graumattierungszone verklemmen sich die Wälzkörper selbst auf der Spur.
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Infolgedessen nehmen Geräusche und Schwingungen des Wälzlagers zu und seine Lebensdauer sinkt.
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Eine existierende Lösung besteht darin, hochfrequente Entladungsströme, die durch die Rotorwelle des Elektromotors fließen, unter Verwendung einer Erdungsbürste mit leitenden Fasern zu erden.
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Trotz des Vorhandenseins solcher leitender Bürsten können jedoch nach wie vor nach kurzer Betriebszeit Schäden an den Wälzlagerlaufbahnen beobachtet werden.
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Außerdem werden sie durch das Vorhandensein von Öl oder Schmutz in ihrer Betriebsumgebung ineffektiv, indem ein zusätzlicher Widerstand zwischen der Erdungsbürste und der Rotorwelle erzeugt wird.
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Eine andere Lösung besteht in der Verwendung eines Opferlagers, das dazu bestimmt ist mit Masse verbunden zu verbunden, um die Hauptlager zu schützen, die elektrisch isoliert sind und die Rotorwelle tragen.
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Das Opferlager, das dann elektrischen Entladungen ausgesetzt ist, erfordert eine regelmäßige Wartung oder sogar gelegentlichen Austausch.
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Die Demontage des Lagers ist jedoch komplex und kann die Demontage des Rotors vom Stator erfordern.
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Die vorliegende Erfindung beabsichtigt dementsprechend, diese Nachteile zu überwinden, indem eine einfache und kostengünstige Wälzlageranordnung bereitgestellt wird, die zur Wartung oder zum Austausch leicht entfernbar ist.
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Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, die ein Wälzlager umfasst, das mit einem ersten Ring und mit einem zweiten Ring, die geeignet sind, konzentrisch relativ zueinander zu rotieren, und mit einer Mehrzahl von Wälzkörpern versehen ist, die zwischen dem ersten und dem zweiten Ring angeordnet sind.
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Außerdem umfasst die Lageranordnung weiter eine Lagermontage- und Demontagevorrichtung, die eine Stützwelle, auf der der erste Ring des Wälzlagers befestigt ist, und eine Hülse umfasst, die auf der Stützwelle zwischen einer vom Wälzlager entfernten Position und einer nahen Position, in der die Hülse in axialem Kontakt mit dem zweiten Ring des Wälzlagers ist, verschiebbar montiert ist.
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Die Lagermontage- und Demontagevorrichtung ermöglicht es, das Wälzlager zur Wartung oder zum Austausch einfach in einem Arbeitsgang zu entfernen. Der Wiedereinbau wird auch dadurch erleichtert, dass das Wälzlager geschoben wird, ohne die Wälzkörper zu belasten.
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Dies verbessert die Wartbarkeit des Elektromotors, da man eine Lageranordnung mit einem Wälzlager hat, das in gleichmäßigen Wartungsintervallen mit geringem Aufwand und geringen Wartungskosten ausgetauscht werden kann.
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Vorzugsweise umfasst die Lagermontage- und Demontagevorrichtung weiterhin ein axiales Vorspannelement, das axial zwischen der Stützwelle und der Hülse angeordnet ist, um eine permanente axiale Kraft dazwischen auszuüben, um einen effizienten Kontakt zwischen den Wälzkörpern und dem ersten und zweiten Ring zu gewährleisten.
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Vorteilhafterweise kann die Hülse an einem Ende mit einer Abdeckung versehen sein, die das Ende der Stützwelle von außen schützt, wobei das axiale Vorspannelement axial zwischen der Stützwelle und der Abdeckung der Hülse angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise kann die Hülse zumindest eine radiale Auskragung umfassen, die gleitend in einem Schlitz der Stützwelle in Eingriff ist. Auf diese Weise können die Stützwelle und die Hülse leicht miteinander verbunden werden, während gleichzeitig eine erzwungene Drehung aufgrund von Reibung im Wälzlager verhindert wird und die axiale Vorspannung mit der Mitte des Wälzlagers ausgerichtet ist.
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Vorzugsweise umfasst die Lageranordnung weiter ein elastisches Element, das am zweiten Ring des Wälzlagers befestigt ist und in Bezug auf eine zylindrische Fläche des zweiten Rings radial gegenüber den Wälzkörpern radial auskragt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das elastische Element eine nicht zylindrische Form haben und mit Abschnitten, die in Kontakt mit der zylindrischen Fläche des zweiten Rings radial gegenüber den Wälzkörpern stehen, und mit Abschnitten versehen sein, die radial von der zylindrischen Fläche des zweiten Rings beabstandet sind.
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Das elastische Element garantiert einen ausreichend festen Sitz, um das Wälzlager auf oder in der Rotorwelle, auf der die Lageranordnung befestigt werden kann, zu halten, während es die thermische Ausdehnung und eine Toleranz zwischen dem Durchmesser des Wälzlagers und dem Durchmesser der Rotorwelle gewährleistet.
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Vorteilhafterweise kann die Lagermontage- und Demontagevorrichtung aus elektrisch leitendem Material hergestellt sein. Das Wälzlager der Lageranordnung kann dann als geerdetes Wälzlager für einen Elektromotor verwendet werden, um Hauptwälzlager, die die Rotorwelle tragen, zu schützen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Lagermontage- und Demontagevorrichtung ferner einen leitenden Draht, der die Stützwelle mit Masse verbindet.
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Alternativ kann die Lagermontage- und Demontagevorrichtung einen leitenden Draht umfassen, der den ersten Ring des Wälzlagers mit Masse verbindet, um einen möglichen elektrischen Widerstand zwischen dem Innenring und der Stützwelle zu vermeiden.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Elektromotor, der einen Stator mit Statorwicklungen, einen Rotor mit einer hohlen Rotorwelle und Rotorwicklungen umfasst, wobei der Elektromotor zumindest eine Lageranordnung, wie sie zuvor beschrieben ist, umfasst, wobei das Wälzlager der Lageranordnung in der Bohrung des Rotors befestigt ist.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Elektromotor, der einen Stator mit Statorwicklungen, einen Rotor mit einer Rotorwelle und Rotorwicklungen umfasst, wobei der Elektromotor zumindest eine Lageranordnung, wie zuvor sie beschrieben ist, umfasst wobei das Wälzlager der montierten Anordnung an der Außenfläche der Rotorwelle befestigt ist.
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Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, die nicht-begrenzende Beispiele sind, die in den beigefügten Zeichnung dargestellt sind, in denen:
- 1 eine axiale Querschnittsansicht eines Elektromotors ist, der eine Lageranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst, und
- 2 eine axiale Querschnittsansicht der Lageranordnung ist, die in 1 dargestellt ist.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Elektromotors 1, der im dargestellten Beispiel ein Elektromotor eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug ist.
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Der Elektromotor 1 umfasst ein Gehäuse 2, einen Rotor 3, der eine Welle 4 und Rotorwicklungen 5 hat, sowie einen Stator 6, der Statorwicklungen 7 hat.
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Die dargestellte Rotorwelle ist eine Hohlwelle, die eine Außenfläche 4a und eine Bohrung 4b hat.
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Der Elektromotor 1 umfasst ferner zwei Hauptlager 8, 9 zur Lagerung des Rotors 3. Vorteilhafterweise können die beiden Hauptlager 8, 9 radial zwischen der Rotorwelle 4 und dem Gehäuse 2 auf beiden Seiten der Rotorwicklungen 5 befestigt sein.
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Im dargestellten Beispiel sind die beiden Hauptlager 8, 9 Wälzlager und sind identisch.
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In alternativen Ausführungsformen kann der Elektromotor 1 nur ein Hauptlager oder mehr als zwei Hauptlager umfassen.
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Der Elektromotor 1 umfasst auch eine Lageranordnung 10, deren detaillierte Ansicht in 2 dargestellt ist.
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Die Lageranordnung 10 umfasst ein Wälzlager 11, das mit einem ersten Ring 12 und einem zweiten Ring 13 versehen ist. Im dargestellten Beispiel ist der erste Ring 12 der Innenring, während der zweite Ring 13 der Außenring ist.
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Wie in 1 gezeigt ist, ist das Wälzlager in der Bohrung 4b der Rotorwelle 4 befestigt.
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Wiederum unter Bezugnahme auf 2 sind der Innen- und Außenring 12, 13 konzentrisch und erstrecken sich axial entlang der Wälzlagerdrehachse X-X, die in axialer Richtung verläuft. Der Außenring 13 umgibt den Innenring 12 radial.
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Der Außenring 13 ist mit einer zylindrischen Außenfläche 13a und mit einer zylindrischen Innenfläche oder Bohrung (ohne Bezugszeichen) versehen, die der Außenfläche radial gegenüberliegt. Der Außenring 13 ist auch mit zwei gegenüberliegenden radialen Seitenflächen 13b, 13c versehen, die die Bohrung und die Außenfläche 13a des Rings axial begrenzen.
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Das Wälzlager 11 umfasst weiterhin mehrere Wälzkörper (ohne Bezugszeichen), die zwischen dem Innen- und Außenring 12, 13 angeordnet sind. Hier sind die Wälzkörper radial zwischen dem Innen- und Außenring 12, 13 angeordnet.
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Im dargestellten Beispiel sind die dargestellten Wälzkörper Kugeln. Alternativ kann das Wälzlager 11 andere Arten von Wälzkörpern umfassen, wie zylindrische oder konische Rollen, Nadeln usw.
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Darüber hinaus umfasst die Lageranordnung 10 weiter eine Lagermontage- und Demontagevorrichtung 14, die es ermöglicht, das Wälzlager 11 auszubauen und wieder mit dem Elektromotor zusammenzubauen.
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Die Lagermontage- und Demontagevorrichtung 14 umfasst eine Stützwelle 15, auf der der Innenring 12 des Wälzlagers befestigt ist, und eine Hülse 16, die zumindest ein erstes Ende 15a der Stützwelle 15 radial umgibt. Der Innenring 12 des Wälzlagers ist an einem zweiten Ende 15b der Stützwelle, dem ersten Ende 15a axial gegenüberliegend, befestigt.
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Die Hülse 16 ist auf der Stützwelle 15a zwischen einer vom Wälzlager entfernten Position, wie in 2 dargestellt, und einer dem Wälzlager nahen Position, in der die Hülse in axialem Kontakt mit dem Außenring 13 des Wälzlagers 11 steht, verschiebbar befestigt.
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Eine solche Lagermontage- und Demontagevorrichtung 14 verbessert die Wartbarkeit des Wälzlagers 11.
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Insbesondere kann die Demontage des Wälzlagers 11 einfach durchgeführt werden, ohne dass das elektrische Antriebssystem des Kraftfahrzeugs zerlegt werden muss oder der Rotor 3 vom Stator 6 demontiert werden muss.
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Die Lagermontage- und Demontagevorrichtung 14 umfasst ferner ein axiales Vorspannelement 17, das axial zwischen der Stützwelle 15 und der Hülse 16 angeordnet ist, um eine permanente axiale Kraft dazwischen auszuüben.
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Vorzugsweise ist das axiale Vorspannelement dazu ausgebildet, eine Last zwischen 0,1 N und 100 N auszuüben.
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Das axiale Vorspannelement 17 kann zum Beispiel eine Feder umfassen, die sich entlang der Wälzlagerdrehachse X-X erstreckt. Die Feder hat ein erstes Ende, das an der Hülse 16 befestigt ist, und ein zweites Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt und in Kontakt mit dem Ende 15a der Stützwelle 15 steht.
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Die Feder kann eine Schraubenfeder oder ein anderer geeigneter Federtyp sein. Wie bereits erwähnt, umfasst das axiale Vorspannelement 17 in diesem Beispiel die Feder. Alternativ kann das axiale Vorspannelement 17 auch andere Arten von elastischen Elementen umfassen, wie z. B. Scheiben, z. B. Tellerfedern.
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Im dargestellten Beispiel ist die Hülse 16 an einem Ende mit einer Abdeckung 19 versehen, die das Ende 15a der Stützwelle 15 nach außen hin schützt.
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Die Abdeckung 19 und die Hülse 16 können beispielsweise mit komplementären Gewinden versehen sein, um miteinander verschraubt zu werden. Alternativ kann die Hülse 16 auch einteilig hergestellt sein.
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Das axiale Vorspannelement 17 ist axial zwischen der Stützwelle 15 und der Abdeckung 19 der Hülse 16 angeordnet.
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Im dargestellten Beispiel umfasst die Hülse 16 ein Außenrohr 20 und eine Innenbuchse 21. Das Rohr 20 und die Buchse 21 sind konzentrisch und radial gegeneinander angeordnet, so dass die Innenfläche des Rohrs 20 mit der Außenfläche der Buchse 21 in Kontakt steht.
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Das freie, dem Wälzkörper 11 zugewandte Ende des Rohrs 20 umfasst eine Rippe (ohne Bezugszeichen), die sich radial nach innen erstreckt, um die Buchse 21 axial zu halten.
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Der Abdeckung 19 ist an dem Rohr 20 der Hülse 16 angebracht.
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Alternativ können das Rohr 20 und die Buchse 21 auch einstückig hergestellt sein.
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Die Hülse 16 umfasst radiale Auskragungen 21a, die nach innen auskragen und gleitend in Eingriff mit zwei jeweiligen Schlitzen 15c und 15d sind, die an der Außenfläche der Stützwelle 15 gebildet sind, die eine Verdrehsicherung zwischen der Hülse 16 und der Stützwelle 15 bereitstellen. Dadurch wird eine Zwangsdrehung aufgrund von Reibung im Wälzlager 11 verhindert. Im dargestellten Beispiel sind die Auskragungen an der Buchse 21 vorgesehen. Im dargestellten Beispiel umfasst die Hülse 16 zwei radiale Auskragungen. Alternativ kann die Hülse 16 auch nur einen Auskragung oder mehr als zwei Auskragungen umfassen.
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Die Buchse 21 richtet die Feder 17 mit der Mitte des Wälzlagers 11 aus, so dass sie leicht parallel zur Rotationsachse der Rotorwelle 4 gleiten kann.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Lageranordnung 10 ferner ein Gehäuse oder einen Gehäusedeckel, das bzw. der mit der Abdeckung 19 in Kontakt steht, damit die Hülse 16 in ihrer Position gehalten werden kann. Im Gebrauch trägt das Gehäuse oder der Gehäusedeckel dazu bei, die Lagermontage- und Demontagevorrichtung 14 in der Rotorwelle 4 an der Stelle zu halten, so dass die Hülse 16 eine permanente axiale Kraft gegen die Seitenfläche 13c des Außenrings 13 ausüben kann.
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Ferner kann am Außenring 13 des Wälzlagers 11 vorteilhaft ein elastisches Element 22 befestigt sein.
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Das elastische Element 22 kragt radial in Bezug auf die Außenfläche 13a des Außenrings 13 aus.
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Im dargestellten Beispiel ist das elastische Element 22 mit einem ringförmigen Anbringungsabschnitt 22a, der mit der Seitenfläche 13b des Außenrings in Kontakt ist, und mit einem Vorspannabschnitt 22b versehen, der mit dem ringförmigen Anbringungsabschnitt 22a verbunden ist und in Bezug auf die Außenfläche 13a des Außenrings radial auskragt, so dass das ringförmige elastische Element 22 eine gleichmäßige radiale Vorspannung auf den Außenring 13 des Wälzlagers 11 bereitstellen kann.
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Der Vorspannabschnitt 22b kann mehrere radial auskragende Laschen umfassen.
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Das elastische Element 22 gewährleistet einen ausreichend festen Sitz, um das Wälzlager 11 an der Stelle in der Rotorwelle 4, auf der die Lageranordnung 10 befestigt ist, zu halten.
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Das elastische Element 22 ermöglicht auch die thermische Ausdehnung des Wälzlagers 11 und der Rotorwelle 4 sowie eine gewisse Toleranz zwischen dem Durchmesser des Wälzlagers 11 und dem Innendurchmesser der Rotorwelle 4.
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Alternativ kann das elastische Element eine nicht-zylindrische Form haben und mit Abschnitten, die in Kontakt mit der zylindrischen Oberfläche 13a des Außenrings 13 stehen, und mit Abschnitten versehen sein, die radial von der zylindrischen Oberfläche 13a beabstandet sind.
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Beispielsweise kann das nicht-zylindrische elastische Element eine ovale Form haben, die zwei oder drei Abschnitte in Kontakt mit dem Außenring 13 des Wälzlagers 11 bereitstellt.
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Im dargestellten Beispiel ist das Wälzlager 11 ein Erdungswälzlager, dessen Funktion darin besteht, die Hauptlager 8, 9 des Elektromotors 1 zu schützen, indem es den Stromdurchgang zu Masse ermöglicht und elektrischen Entladungen ausgesetzt ist, während die beiden Hauptlager 8, 9 vorteilhafterweise elektrisch isoliert sind.
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In dieser Hinsicht können die Lagermontage- und Demontagevorrichtung 14 und das elastische Element 22 aus elektrisch leitendem Material hergestellt sein.
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Das Wälzlager 11 kann dann die hochfrequenten kapazitiv gekoppelten Gleichtaktströme effektiv erden, um die Lebensdauer der Hauptlager 8, 9 zu verlängern, und kann bei Bedarf einfach repariert oder ausgetauscht werden, um Geräusche und Schwingungen aus dem Wälzlager 11 zu eliminieren.
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In einer Ausführungsform umfasst die Lagermontage- und Demontagevorrichtung 14 weiter einen leitenden Draht, der die Stützwelle 15 mit Masse verbindet.
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In einer anderen Ausführungsform verbindet der leitende Draht den Innenring 12 des Wälzlagers 11 mit Masse. Der leitende Draht kann beispielsweise mit dem Innenring 12 punktgeschweißt sein.
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Zur Befestigung der Lageranordnung 10 in der Rotorwelle 4 wird zunächst das Wälzlager 11 leicht in die Bohrung 4b der Rotorwelle 4 eingeführt. Dann, wenn der Außenring 13 des Wälzlagers in Kontakt mit der Bohrung der Rotorwelle 4 ist, wird die Hülse 16 axial geschoben, um entlang der Stützwelle 15 von der vom Wälzlager 11 entfernten Position in die nahe Position zu gleiten, in der die Hülse 16 in axialem Kontakt mit der Seitenfläche 13c des Außenrings des Wälzlagers 11 ist.
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Die Hülse 16 übt eine Druckkraft gegen die Seitenfläche 13c des Außenrings 13 aus, ohne auf den Innenring 12 zu drücken und Montageschäden zu verursachen.
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Wenn das Wälzlager 11 korrekt montiert ist und die Lageranordnung 10 nicht mehr geschoben wird, kehrt die Hülse 16 in die vom Wälzlager 11 entfernte Position zurück, indem sie entlang der Stützwelle 15 gleitet, angetrieben durch die Rückstellkraft des axialen Vorspannelements 17.
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Das elastische Element 22, das zwischen der Bohrung 4a der Rotorwelle 4 und dem Au-ßenring 13 des Wälzlagers 11 befestigt ist, hält das Wälzlager 11 wirksam in Position.
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Während des Betriebs des Elektromotors 1 übt das axiale Vorspannelement 17 eine konstante Last auf den Innenring 12 des Wälzlagers 11 aus.
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Wenn das Wälzlager 11 repariert oder ausgetauscht werden muss, kann die Lageranordnung 10 in einem Zug von der Rotorwelle 4 demontiert werden, indem an der Lagermontage- und Demontagevorrichtung 14 gezogen wird, die den Wälzkörper 11 aus der Bohrung 4b der Rotorwelle 4 herauszieht.
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Wie im gezeigten Beispiel bereits angegeben, ist das Wälzlager 11 der Lageranordnung 10 in der Bohrung 4b der Rotorwelle 4 befestigt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Wälzlager 11 der Lageranordnung 10 an der Außenfläche 4a der Rotorwelle 4 befestigt sein.
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In diesem Fall ist der Innenring des Wälzlagers an der Außenfläche 4a der Rotorwelle 4 befestigt und bildet den zweiten Ring des Wälzlagers und der Außenring bildet den ersten Ring.
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Außerdem ist die Stützwelle 15 der Lageranordnung 10 durch ein Hohlrohr ersetzt, in dem der Außenring befestigt ist, wobei die Hülse auf dem Hohlrohr gleitend befestigt ist, um axial mit der Seite des Innenrings in Kontakt kommen zu können. In diesem umgekehrten Beispiel ist die Hülse in der Hohlwelle 15 befestigt und das axiale Vorspannelement übt eine permanente axiale Kraft auf den Außenring 13 aus.
