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Fachgebiet
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Die Erfindung betrifft einen Sensorwälzkörper und eine Lageranordnung, die einen solchen Sensorwälzkörper umfasst.
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Technischer Hintergrund
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Es ist bekannt, Lager mit diversen Sensoren zur Lastabfühlung und zur Messung von Temperatur, Drehzahl, Rauschen etc. bereitzustellen. In manchen Fällen werden Sensoren zusammen mit drahtlosen Sendern innerhalb von Wälzkörpern angeordnet und müssen mit Energie versorgt werden. Eine Lösung für dieses Problem besteht in der Verwendung einer Batterie. Auf wichtigen Anwendungsgebieten hat sich jedoch gezeigt, dass die Batterielaufzeit kürzer ist als die Lebensdauer des Lagers, und ein Wechseln der Batterien ist umständlich.
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Das Dokument
EP 0637 734 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Lastmessung in Wälzlagern, wobei die Messung mithilfe von Sensoren durchgeführt wird, die angeordnet sind, an das Lager angelegte Kräfte zu messen. Die Sensoren kommunizieren mit Mitteln zur Aufzeichnung, Verarbeitung und Auswertung von den Sensoren ausgegebener Signale, die die Lagerlast wiedergeben. Zumindest ein Wälzkörper pro Wälzkörperreihe ist mit einer Bohrung, in der zumindest ein Sensor bereitgestellt ist, sowie mit Mitteln zur Verstärkung und zum Senden von von dem Sensor an einen Empfänger ausgegebenen Signalen bereitgestellt. Der Empfänger ist an dem sich nicht drehenden Lagerring des Lagers bereitgestellt. Die von dem Empfänger empfangenen Signale werden zur Signalverarbeitung an weitere externe Mittel weitergeleitet.
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Die Energieversorgung der Sende- und Verstärkungsmittel wird mithilfe einer kleinen, in Verbindung mit dem Verstärker/Sender in der Bohrung der Wälzkörper angebrachten Spule erreicht, und ihr Ende ragt über das Ende des Wälzkörpers hinaus. Diese Spule ist in dem Sensorwälzkörper so angeordnet, dass sie mit einer großen, stationären Spule kommuniziert, die an dem stationären Lagerring bereitgestellt ist.
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Die stationäre Spule stellt der in dem Wälzkörper angeordneten Spule Energie bereit, und die in der Bohrung angeordnete Spule sendet kontinuierliche Lastdaten in Form von Spannungswerten von den Sensoren.
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Die Lösung der
EP 0637 734 A1 weist insofern Nachteile auf, als dass die Menge an Energie, mit der die kleine Spule versorgt werden kann, begrenzt ist, insbesondere im Falle niedriger Drehzahlen des Lagers.
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Das Dokument
DE69828236 T2 lehrt eine Lageranordnung mit einem Wälzkörper mit einer Bohrung, worin ein Generator und ein Getriebe im Inneren der Bohrung angeordnet sind. Das Getriebe ist mittels eines elastischen Kopplungselements mit einem Käfig des Lagers verbunden.
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Die in der
DE69828236 T2 vorgeschlagene Lösung weist Nachteile in Sachen Robustheit und Lebensdauer des elastischen Kopplungselements auf. Ferner erlaubt die elastische Verbindung zum Schutz der inneren Teile des Wälzkörpers vor Schäden im Falle von Erschütterungen oder übermäßig hohen Drehzahlen kein Überrasten oder Abrutschen, und die Elastizitätseigenschaften des elastischen Kopplungselements sind gegenüber Temperaturveränderungen empfindlich und Alterung unterworfen.
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Kurzfassung der Erfindung
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Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Sensorwälzkörper mit integrierter Generatoranordnung mit reduzierten Wartungskosten und einer langen Lebensdauer bereitzustellen.
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Die Erfindung geht von einem Sensorwälzkörper für ein Lager aus, das einen Innenring, einen Außenring und eine Vielzahl von Wälzkörpern einschließlich des Sensorwälzkörpers umfasst, die in einem Käfig zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind, worin der Sensorwälzkörper mit einer Bohrung bereitgestellt ist, die eine Sensoreinheit und zumindest einen Teil einer Generatoranordnung aufnimmt, und worin der Teil der Generatoranordnung konfiguriert ist, mit dem Käfig zu wechselwirken, um Energie aus einer relativen Drehung zwischen dem Käfig und dem Wälzkörper zu erzeugen.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Wechselwirkung eine magnetische Wechselwirkung ist. Die Verwendung einer magnetischen Kopplung anstelle eines elastischen Kopplungselements ermöglicht einen praktisch verschleißfreien Betrieb und eine lange Lebensdauer. Die magnetischen Eigenschaften sind weniger empfänglich für äußere Einflüsse als elastische Eigenschaften eines elastischen Kopplungselements. Ferner kann die magnetische Wechselwirkung mit Dauermagneten leicht erzeugt werden und zu den vom Generator verwendeten Magnetflussschaltungen beitragen.
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Die Erfindung ist an großformatige Wälzlager anbringbar, z.B. an Lager für Windturbinen, die der Überwachung bedürfen. Einschränkungen bestehen aufgrund des Höchstmaßes an bei der Generatoranordnung möglicher Miniaturisierung, damit diese in die Bohrung des Wälzkörpers passt, und aufgrund der bei einer gewissen Drehzahl erzeugbaren Menge an Leistung. Die Lager können ein- oder mehrreihige Wälzlager sein und können mit einem oder mehreren Sensorwälzkörpern pro Reihe ausgestattet sein.
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Die Sensoreinheit kann Spannungssensoren, Temperatursensoren, Schwingungssensoren oder sonstige angestrebte Sensoren umfassen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Teil der Generatoranordnung eine mit einem Magneten an ihrem Wellenende bereitgestellte Generatorwelle umfasst, worin der Magnet konfiguriert ist, mit einem weiteren, auf dem Käfig bereitgestellten Magneten zu wechselwirken. Diese Ausführungsform ermöglicht die Verwendung eines gebrauchsfertigen Generators, der nur mit einem vorzugsweise scheibenförmigen Dauermagneten am Ende seiner Welle in Verbindung mit einem Rotor des Generators ausgestattet werden muss, während der Körper des Generators einschließlich des Stators in das Bohrloch passt und darin nicht drehend befestigt werden kann.
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Vorzugsweise umfasst die Generatoranordnung einen bürstenlosen GS-Generator und einen WS-GS-Wandler sowie eine Energiespeicherungsschaltung. Der WS-GS-Wandler und das Energiespeicherungsmodul können ein einfacher Gleichrichter mit Spannungsausgangsregler (Abwärts/Aufwärts) oder eine Spannungsvervielfacherschaltung und ein Spannungsregler oder eine Ladeschaltung sein. Fachleute wählen die Art von Speicherzelle je nach vorgesehenem Nutzungsprofil in Kombination mit dem Wälzkörpergeschwindigkeitsprofil aus. Zur Detektion von Lagerdefekten ist ein Messen z.B. nur sinnvoll, wenn das Lager sich bewegt. Bei statischen Messungen: Temperatur, Spannung, Winkel etc., ist es nötig, sich auf die Energiespeicherungskapazität des Moduls zu verlassen.
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Die Art des Energiespeicherungsmittels hängt vom Verwendungsprofil (Messen und Senden) in Kombination mit dem Drehzahlprofil ab. Es können Strategien nur für das Messen und Senden entwickelt werden, wenn ausreichend Leistung aus dem Generator zur Verfügung steht, und die Daten werden unter Bedingungen, unter denen die Leistung unzureichend ist, auf einem nichtflüchtigen Speicher gesichert. In diesem Fall kann eine kleine Speicherzelle, z.B. ein Kondensator, zum Decken des Energiebedarfs verwendet werden, während die Daten gesichert werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit eine drahtlose Sendeeinheit zum Senden von Sensorsignalen an eine Empfangseinheit umfasst.
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Wenngleich die Erfindung auf andere Arten von Wälzkörpern, wie z.B. toroide Wälzkörper oder konische Wälzkörper, anwendbar ist, wird in Hinblick auf deren breites Anwendungsgebiet bevorzugt, dass der Sensorwälzkörper ein Zylinderwälzkörper ist.
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Eine passende Kombination der typischen Drehzahl der Wälzkörper und der optimalen Betriebsgeschwindigkeit des Generators lässt sich erreichen, wenn der Teil der Generatoranordnung ein zwischen einer mit dem Käfig wechselwirkenden Eingabewelle und einem Rotor eines Generators bereitgestelltes Getriebe umfasst. Das Getriebe umfasst vorzugsweise ein koaxial zu der Generatorwelle angeordnetes Planetengetriebe.
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Vorzugsweise sind die Sensoreinheit, der Teil der Generatoranordnung und schließlich das Getriebe in der Bohrung verkapselt, vorzugsweise unter Verwendung einer Polyurethan-(PUR-)Vergussverbindung, um Korrosion durch aggressive Bestandteile von für den Wälzkörper verwendeten Schmiermitteln zu vermeiden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Lageranordnung, die einen Innenring, einen Außenring, eine Vielzahl von Wälzkörpern einschließlich zumindest eines Sensorwälzkörpers wie oben stehend beschrieben und einen die Vielzahl von Wälzkörpern führenden Käfig umfasst, worin der Käfig konfiguriert ist, mit dem Teil der Generatoranordnung des Sensorwälzkörpers magnetisch zu wechselwirken.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Käfig mit einem Dauermagneten bereitgestellt, der zu dem Sensorwälzkörper benachbart so angeordnet ist, dass ein Luftspalt zwischen dem Dauermagneten und einem magnetisch wechselwirkenden Teil der Generatoranordnung ausgebildet wird.
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Vorzugsweise beträgt die Breite des Luftspalts 1 mm oder weniger. Größere Spalte erlauben keine ausreichend starke Wechselwirkung bei einer bestimmten Größe und Stärke der Dauermagneten, sodass es zu einem Abrutschen kommen kann oder – falls der Käfig oder Teile des Käfigs als Joch für den Generator wirken – der Verlust des Magneten zu wichtig ist.
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Die obige Beschreibung der Erfindung sowie die beigeschlossenen Patentansprüche, die Figuren und die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen zeigen mehrere charakteristische Merkmale der Erfindung in bestimmten Kombinationen. Fachleute können sich problemlos weitere Kombinationen oder Teilkombinationen dieser Merkmale vorstellen, um die Erfindung wie in den Patentansprüchen definiert an ihre konkreten Bedürfnisse anzupassen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Ansicht eines Wälzlagers einschließlich eines Sensorwälzkörpers gemäß der Erfindung.
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2 ist eine schematische Schnittansicht des Sensorwälzkörpers des Lagers aus 1.
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3 ist eine schematische Schnittansicht des Sensorwälzkörpers eines Lagers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
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1 ist eine schematische Ansicht eines Wälzlagers einschließlich eines Sensorwälzkörpers 10a gemäß der Erfindung.
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Das Lager ist ein einreihiges Kugellager, das einen Sensorwälzkörper 10a umfasst, der drahtlos mit einer entfernten Empfangseinheit 12 kommuniziert, die z.B. an dem stationären Ring 14 des Lagers oder an einem Gehäuse oder einer Welle, die den stationären Ring 14 enthält, befestigt wird. Die Empfangseinheit 12 kann integrierte Datenverarbeitungsmittel oder eine Schnittstelle zum Weiterleiten der empfangenen Daten an eine (nicht dargestellte) weitere Steuer- und Überwachungseinheit aufweisen, die die Sensordaten nach Bedarf verarbeitet.
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Das Lager umfasst einen Innenring 16, einen Außenring 14 und eine Vielzahl von Zylinderwälzkörpern 10 einschließlich des Sensorwälzkörpers 10a. Im Falle dieser Ausführungsform ist der Außenring 14 der stationäre Ring.
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Die Wälzkörper 10 sind in einem Käfig 18 zwischen dem Innenring 16 und dem Außenring 14 angeordnet. An der Position des Sensorwälzkörpers 10a ist der Käfig 18 mit einem scheibenförmigen Dauermagneten 20 ausgestattet, sodass die Symmetrieachse der Scheibenform des Dauermagneten 20 mit der Drehachse des Wälzkörpers in dem Käfig 18 übereinstimmt. Die Magnetisierungsrichtung 22 des Dauermagneten 20 ist in 1 durch einen Pfeil dargestellt und verläuft senkrecht auf die Symmetrieachse und die Drehachse. Die Ausrichtung der Magnetisierungsachse innerhalb der Ebene senkrecht auf die Symmetrieachse und die Drehachse ist in dieser Ausführungsform so gewählt, dass sie die Umfangsrichtung des Lagers ist, kann aber bei Bedarf anders gewählt werden.
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2 ist eine schematische Schnittansicht des Sensorwälzkörpers 10a des Lagers aus 1.
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Der Sensorwälzkörper 10a ist mit einer Bohrung 24 bereitgestellt, die eine Sensoreinheit 26 und zumindest einen Teil einer Generatoranordnung 28 aufnimmt. Der in den Sensorwälzkörper 10a integrierte Teil der Generatoranordnung 28 ist konfiguriert, mit dem Käfig 18 zu wechselwirken, um Energie aus einer relativen Drehung zwischen dem Käfig 18 und dem Sensorwälzkörper 10a zu erzeugen.
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Die Generatoranordnung 28 umfasst einen eigentlichen Generator 30, der vorzugsweise als ein bürstenloser GS-Generator, eine WS-GS- und Energiespeicherungsschaltung 32 und ein drahtloser Überwachungsknoten 34 ausgebildet ist. Der drahtlose Überwachungsknoten 34 umfasst die Sensoreinheit 26 und eine drahtlose Sendeeinheit 36 zum drahtlosen Senden der Sensorsignale an die Empfangseinheit 12.
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Die WS-GS- und Energiespeicherungsschaltung 32 umfasst einen einfachen Gleichrichter 38 mit Spannungsausgangsregler (Abwärts/Aufwärts), und die Energiespeicherung wird mit einem einfachen Kondensator 40 erreicht, worin kompliziertere Aufgaben kompliziertere Energiespeicherungslösungen erfordern können.
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Eine Generatorwelle 42 des Generators 30 ist mit einem Dauermagneten 44 an ihrem Wellenende bereitgestellt, worin der Magnet 44 konfiguriert ist, mit dem oben beschriebenen, auf dem Käfig 18 bereitgestellten Magneten 20 zu wechselwirken. Der Dauermagnet 20 des Käfigs 18 ist zu dem Sensorwälzkörper 10a benachbart angeordnet, sodass ein Luftspalt zwischen dem Dauermagneten 20 auf dem Käfig 18 und dem Dauermagneten 44 auf der Seite der Welle ausgebildet wird, wobei letztere der magnetisch wechselwirkende Abschnitt der Generatoranordnung 28 ist. Die Breite des Luftspalts ist auf 1 mm oder weniger, z.B. 0,2 mm eingestellt.
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Die Formen und die Magnetisierung der beiden Magneten 20, 44 sind identisch, worin eine relative Drehung möglich ist, falls eine Magnetkraft, die einen Drehimpuls erzeugt, überwunden wird. Der Drehimpuls stellt die relative Ausrichtung der Magneten 20, 44 gegenüber der restlichen Konfiguration mit minimaler Magnetfeldenergie wieder her, d.h. in der in 2 dargestellten Konfiguration, in der die Magnetisierungsrichtungen der beiden Magneten 20, 44 einander entgegengesetzt sind.
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Die Breite des Luftspalts ist so gewählt, dass die magnetische Wechselwirkung oder die Wiederherstellungskraft stark genug ist, die Magneten 20, 44 in der oder nahe der restlichen Konfiguration wie oben beschrieben zu halten, während ein Überrasten oder Abrutschen möglich ist, falls andere Drehimpulse als der durch die auf die Generatorwelle 42 wirkende magnetische Wechselwirkung erzeugte Drehimpuls den durch die magnetische Wechselwirkung erzeugten Drehimpuls übersteigen.
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Der drahtlose Überwachungsknoten 34, der die Sensoreinheit 26 umfasst, und die Generatoranordnung 28 in der Bohrung 24 sind unter Verwendung einer PUR-Vergussverbindung verkapselt, um Korrosion durch aggressive Bestandteile von für die Wälzkörper verwendeten Schmiermitteln zu vermeiden.
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3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung. Um Wiederholungen zu vermeiden, konzentriert sich die folgende Beschreibung auf Unterschiede zu der Ausführungsform aus 1 und 2 und wird der Leser für Merkmale, die ähnlich oder identisch sind, auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen. Um die gemeinsame Funktion oder das gemeinsame Konzept hervorzuheben, werden für Merkmale mit identen oder sehr ähnlichen Funktionen die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen verwendet.
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3 ist eine schematische Schnittansicht des Sensorwälzkörpers 10a eines Lagers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Zusätzlich zu den Komponenten der Generatoranordnung 28 der 1 und 2 umfasst der im Inneren der Bohrung 24 angeordnete Teil der Generatoranordnung 28 ein zwischen einer mit dem Käfig 18 wechselwirkenden Eingangswelle und einem Rotor eines Generators 30 bereitgestelltes Getriebe 46. Der Dauermagnet 44 ist am Ende einer Welle 48 des Getriebes 46 angebracht.
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Das Getriebe 46 ermöglicht eine Anpassung der typischen Drehzahl des Wälzkörpers an einen optimalen Geschwindigkeitsbereich des Generators in Fällen, in denen diese letzteren beiden Bereiche von Drehzahlen zu stark voneinander abweichen.
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Die Erfindung gemäß beiden Ausführungsformen ermöglicht es, auf eine externe Leistungsquelle zu verzichten, und die Leistung kann die gesamte Lebensdauer des Lagers hindurch intern erzeugt werden. Verglichen mit einer Lösung des Typs exzentrische Masse/Pendel kann mehr Leistung erzeugt werden, weil die Kraft, die über die magnetische Wechselwirkung zwischen dem Käfig 18 und der Generatorwelle 42 erzeugt werden kann, höher ist als die durch die exzentrische Masse erzeugte Kraft.
