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Vorrichtung mit einem schnelldrehenden Rotor (Zusatzanmeldung zu
P 24 4 241.9) Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem schnelldrehenden
Rotor, insbesondere gemäß Hauptanmeldung P 24 04 241.9.
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Problemstellunff Bei schnelldrehenden Rotoren werden erhebliche Anforderungen
an die Lagerung des Rotors gestellt, welche entscheidend für die Lebensdauer, Funktionssicherheit
sowie die erreichbaren Drehzahlen sind. Es i-st hinlänglich bekannt, daß bei hohen
Drehzahlen selbst kleinste Unwuchten des Rotors erhebliche Kräfte auf die Lagerung
bewirken.
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Zwar können mit bekannten Mitteln Rotoren recht gut ausgewuchtet werden,
doch es ergibt sich dabei ein erheblicher fertigungstechnischer Aufwand und die
verbleibende Restunwucht begrenzt*-die erreichbaren Drehzahlen nach oben. Bei Spinnmaschinen,
die nach dem Offen-Edd-Spinnverfahren
arbeiten, ist weiterhin zu
beachten, daß infolge des kontinuierlich zugeführten Spinnmaterials in den Rotor
die Unwucht des Rotors nach Lage und Größe sich ständig ändert, welche eine entsprechend
stark diiui£sionierte Lagerung erfordert.
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Bei schnelldrehenden Rotoren ist ferner zu beachten, daß bei bestimmten
Drehzahlen aufgrund von Schwingungen Lagerbelastungen auftreten können, die zur
Zerstörung der Lager und somit der gesamten Vorrichtung führen können. Sollen derartige
Vorrichtungen in hohen Stückzahlen gefertigt werden, so sind als weitere wesentliche
Randbedingungen niedrige Herstellungskosten sowie ein einfacher konstruktiver Aufbau
anzustreben. Darüberhinaus muß um eine lange Lebensdauer zu erreichen, auch die
Schmierung des Lagers gewährleistet sein.
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Aufgabe und Lösung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die genannten Nachteile zu vermeiden und eine einfache, funktionssichere Vorrichtung
zu schaffen, wobei Kräfte von der Lagerung weitgehend fernzuhalten sind. Weiterhin
soll die Vorrichtung einen kostengunstigen Aufbau aufweisen und eine sichere Schmierung
des Lagers auch für eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird gemäß
den Merkmalen des ersten Patentanspruches dadurch gelost, daß der Rotor bezüglich
eines Stators mittels eines nachgiebigen Lagers schwimmend gelagert ist, daß der
Schwerpunkt des Rotors zumindest naherungsweise im Bereich des Lagers sich befindet,
daß der Rotor ein vorzugsweise topfförmiges Teil aufweist, in welches ein, das genannte
Lager enthaltendes Statorteil hineinragt, red Maß das topfförmige Teil sowie diesem
auf dem Stator gegenüberliegende elektrische Wicklungen als elektrischer Antriebsmotor
ausgebildet sind.
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Vorteile und Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich aus, durch
einen einfachen Aufbau und ist ohne besonderen ferti£gstechnischen Aufwand herstellbar.
Der Rotor rotiert aufgrund der schwimmenden Lagerung in vorteilhafter Weise um die
Trägheitsachse des größten Trägheitsmomentes, so daß Kräfte an den Lagern infolge
von Unwuchten vermieden werden. Durch Verwendung von Teilen aus elastisch verformbarem
Material, wird in vorteilhafter Weise auch eine sehr wirksame Schwingungsdämpfung
erreicht. Aufgrund der zumindest teilweise topf- oder glockenförmigen Ausbildung
des Rotors, wobei der Stator beziehungsweise das Lager innerhalb dieses Rotorteiles
angeordnet ist, wird in vorteilhafter Weise eine konstruktive einfache Vorrichtung
geschaffen, wobei der Schwerpunkt des Rotors ohne Schwierigkeiten in den Bereich
des Lagers zu legen ist. Mit anderen Worten ausgedrückt befindet sich der genannte
Schwerpunkt in einer zur Drehachse senkrechten und durch das Lager verlaufenden
Radialebene sowie auf der Symmetrieachse des Rotors, welche in etwa auch die Drehachse
des Rotors ist. Weiterhin wird durch den mit dem Rotor und Stator konstruktiv integrierten
elektrischen Antriebsmotor in vorteilhafter Weise eine insbesondere in Richtung
der Drehachse kompakte Anordnung geschaffen. Es entfallen somit die sonst üblichen
getrennten Lagerungen von Rotor und Antriebsmotor und die damit verbundenen Ausrichtungs-
und Lagerungsprobleme. Bei Verwendung des Rotors als Spinnorgan einer Spinnmaschine
zum spindellosen Spinnen (Offen-End-Spinnmaschine) weist der Rotor am vorderen Ende
einen Trichter auf, welcher mit dem topfförmigen Rotorteil tevorzugt aus einem Stück
hergestellt ist.
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Vorzugsweise wird zwischen der Lagerbuchse eines Zapfenlagers und'dem
Stator ein Ring aus elastischem Material, beispielsweise Gummi oder eine konische
Spiralfeder angeordnet, ohne daß dabei besondere Fertigungstoleranzen eingehalten
werden müssen. In einer sehr vorteilhaften
Ausbildung der Erfindung
ist das Zapfenlager mit einem derart geringen Durchmesser ausgebildet, daß auch
bei hohen Drehzahlen die Relativgeschwindigkeit zwischen Zapfen und Lagerbuchse
vergleichsweise gering ist.
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Die Anordnung der Lagerbuchse und der Fassung aus elastischem Material
zusammen mit dem Schmiermittel speicher in einer Buchse, ermöglicht einen schnellen
Austausch im Stator, wobei vorzugsweise eine Schraubverbindung vorgesehen ist.
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Wird mit dem Rotor eine Abwurfscheibe verbunden und vorzugsweise innerhalb
eines Schmiermittelspeichers angeordnet, so wird das Schmiermittel in einen Kreislauf
gezwungen und ein Austreten des Schmiermittels aus der Buchse verhindert. Werden
die Speicher sowie Fassung und Lagerbuchse in Ringen angeordnet, so lassen sich
diese sehr einfach in eine Buchse einbauen. Durch geeignete Ausbildung der die Lagerbuchse
umgebenden Fassung aus elastischem Material kann die Steifigkeit der Anordnung den
geforderten Betriebsbedingungen angepaßt werden. Es hat sich vor allem in Hinblick
auf die Dampfungswirkung der genannten Fassung als sehr vorteilhaft erwiesen, Bohrungen
oder Öffnungen vorzusehen. Auf diese Weise lassen sich vor allem bei Serienfertigung
reproduzierbare und innerhalb vertretbarer Toleranzen liegende Steifigkeiten erzielen.
Gleichzeitig wird ein Schmieamittelaustausch durch diese Bohrungen zwischen den
Speichern ermöglicht.Werien die Speicher sowie Fassung und Lagerbuchse in Ringen
angeordnet, so lassen sich diese sehr einfach in eine Buchse einbauen. In einer
bevorzugten Weiterbildung wird zwischen Rotor und Lagerung eine Dichtungsanordnung
vorgesehen, welche vorzugsweise als berührungslose Labyrinthdichtung ausgebildet
ist. Weiterhin wird vorgeschlagen den elektrischen Antrieb des Rotors mit der Lagerung
zu inten und zwar derart, daß auf der Innen- oder Außenfläche des topf- oder glockenförmigen
Rotorteiles
Permanentmagnete angeordnet werden, und gegenüberliegend auf dem Stator die ele
h ischen Wicklungen angeordnet werden. Der die Wicklungen tragende Statorteil ist
aus einem zumindest näherungsweise elektrisch nicht leitenden beziehungsweise nur
geringe Hysterese-oder Wirbelstromverluste verursachenden Material hergestellt (eisenloser
Elektromotor). Dies ist von besonderer Bedeutung, da aufgrund der genannten schwimmenden
Lagerung der Rotor um eine Trägheitsachse rotieren kann, welche nicht mit der Symmetrieachse
des Antriebes übereinstimmen muß, und die bei den bekannten elektrischen Antrieben
hierdurch entstehenden Radialkräfte weitgehend vermieden werden. Darüberhinaus hat
es sich als sehr vorteilhaft erwiesen den Rotor außen von einem Gehäuse zu umgeben,
wobei zwischen Rotor und Gehäuse ein vergleichsweise geringer Abstand vorgesehen
ist, um die Luftreibungsverluste zu verringern.
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Ausführungsbeispiele Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in
der Zeichnung dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeipiele naher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 - Eine prinzipielle Darstellung der Vorrichtung,
enthaltend einen topfförmigen Rotor, welcher mittels eines Zpfenlagers gelagert
ist.
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Fig. 2 - einen Ausschnitt einer Vorrichtung mit einem nachgiebig angeordneten
Zapfenlager, Fig. 3 - einen Schnitt entlang der Linie II-II durch die Vorrichtung
gemäß Fig. 2.
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Gemäß Fig. 1 ist ein Rotor 1 vorgesehen, mit einem topfförmigen
eil
9, welcher im Zentrum des Bodens 2 eine Bohrung 3 aufweist. In der genannten Bohrung
3 ist ein Zapfen 5 angeordnet, dessen freies Ende 6 in eine Lagertllchse 7 hineinragt.
Der Schwerpunkt des Rotors befindet sich zumindest näherungsweise auf der Symmetrieachse
8 und zwar im Bereich des Zapfenlagers, welches die Lagerbuchse 7 sowie den Zapfen
5 enthält. In den topfförmigen Rotorteil 9 ragt das Teil 10 des Stators 11 hinein,
welches eine Bohrung 12 zur Aufnahme der Lagerbuchse 7 aufweis Die genannte Lagerbuchse
7 ist mittels Teilen aus elastischem Material in der Bohrung 12 angeordnet, welche
Teile als 0Ringe 13 ausgebildet sind. Diese O-Ringe liegen in Nuten 15 der Bohrung
12, sowie in Nuten 17 der Lagerbuchse 7. Anstelle der genannten O-Ringe kann bevorzugt
eine Spiralfeder (nicht dargestellt) vorgesehen werden, wobei ein Ende an der Bohrung
12 und das andere Ende an der Lagerbuchse 7 anliegt. Zum Antrieb des Rotors 1 ist
ein Elektromotor vorgesehen, enthaltend auf der Innenfläche des Rotors 1 angeordnete
Permanentmagnete 20. Die im wesentlichen radial magnetisierten Permanentmagnete
20 besitzen in Umfangsrichtung abwechselnde Polarität und sind als einzelne Magnete
am Rotor befestigt oder beispielsweise aus in Eunstharz eingebettetes Metalloxydpulver
gebildet. Den genannten Permanentmagneten sinf1 gegenüberliegend auf dem Stator
10 Wicklungen 19 zugeordnet, welche von Strom durchflossen sind, so daß der Rotor
beipielsweise nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors angetrieben wird. Die
Wicklungen 19 sind eisenlos ausgebildet, so daß auch von dem derart gebildeten Elektromotor
keine zusätzlichen Kräfte oder Momente auf die Lagerung hervorgerufen werden. Das
vordere Ende als' des Rotors ist/ein Trichter 14 ausgebildet, in welchen bei Verwendung
der angegebenen Vorrichtung in Spinnmaschinen nach dem Offen-End-Verfahren das zu
spinnende Material in bekannter Weise hineingelegt und abgezogen wird. Befindet
sich der Schwerpunkt des Rotors beispielsweise infolge von
Fertigungstoleranzen
oder infolge des in den Trichter 14 befindlichen Materials nicht exakt auf der Symmetrieachse
8, so kann sich der Rotor aufgrund der erfindungsgemäßen, schwimmenden Lagerung
dennoch um seine Hauptträgheitsachse drehen. Zusätzliche Lagerkräfte werden vorteilhaft
vermieden. Aufgrund der sehr wesentlichen Ausbildung des Antriebes als eisenloser
Elektromotor wird weiterhin erreicht, daß auch vom Antrieb keine zusätzlichen radialen
Kräfte oder Momente auf die Lagerung ausgeübt werden, und zwar auch dann, wenn sich
der Rotor nicht exakt um die Achse 8 dreht.
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Zwecks Reduzierung von Luftreibungsverlusten, welche insbesondere
bei hohen Drehzahlen in Erscheinung treten, ist der Rotor außen von einem Gehäuse
18 umgeben.
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In Fig. 2 ist die Welle des Rotors 1 als Zapfen 22 ausgebildet, welcher
in einer Lagerbuchse 23 gelagert ist.
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Die Lagerbuchse 23 besteht aus porösem, vorzugsweise gesintertem Material
und ist in eine Hülse 25 mit Preßsitz eingeschoben, wobei die Hülse 25 auf ihrer
Innenfläche axial verlaufende Nuten 27 aufweist. Die Pulse 25 ist von einer ringförmigen
Fassung 28 aus elastischem Material umgeben, welche seinerseits fest mit einem Ring
35 verbunden ist. An den Stirnflächen der genannten Fassung anliegend sind ringförmig
ausgebildete Speicher 30, 31 vorgesehen, welche vorzugsweise aus Filz oder einem
ähnlichen Material bestehen und mit Schmiermittel getränkt sind. Der vordere Speicher
30 liegt dabei mit einem Teil seiner zylindrischen Innenfläche 32 außen an der Lagerbuchse
an, während der hintere Speicher mit einem Teil 33 der Stirnflächu an der Lagerbuchse
anliegt.
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Es sei erwahnt, daß der-Innendurchmesser des hinteren Speichers 31
größer ist als der Durchmesser des Zapfens um Reibungsverluste zu vermeiden. Die
Speicher 30, 31 sowie die Passung 28 sind innerhalb von Ringen 35 bis 37 angeordnet
und mit diesen verbunden, wobei die Ringe in axialer Richtung nebeneinander innerhalb
einer Buchse 40
angeordnet sind. is ist am hinteren Ende der Buchse
eine Abdeckscheibe 41 vorgesellen und durch Umbördeln mit der Buchse verbunden.
Die Buchse ist weiterhin mit einem Gewinde ik3 versehen zur Befestigung in dem hier
nicht dargestellten Stator>(beispielsweise in der Bohrung 12 gemäß Fig. 1). Wie
aus lig. 3 zu ersehen ist, enthält die elastische Fassung 28 axial verlaufende Bohrungen
45. Mittels geeigneter Dimensionierung und Anordnung der genannten Bohrungen wird
es in einfacher Weise möglich, die Steiligkeit beziehungsweise Nachgiebigkeit der
Vorrichtung den Betriebsbedingungen anzupassen. Außerdem kann durch diese Bohrungen
ein Schmiermittel-Austausch zwischen den Speichern 30 und 31 erfolgen, wozu vorzugsweise
Dochte oder Filz (nicht dargestellt) in den genannten Bohrungen angeordnet werden.
Auf der Welle 22 ist außerdem eine Abwurfscheibe 47 vorgesehen, welche an der vorderen
Stirnfläche der Lagerbuchse 33 anliegt und welche einen im Vergleich zur Lagerbuchse
größeren Außendurchmesser aufweist. Die an der Lagerbuchse anliegende Scheibe 47
übernimmt somit die axiale Führung des Rotors 1, welcher beispielsweise mittels
wenigstens eines axial magnetisierten Nagnetringes 48 und eines konzentrischen Rückschlußringes
49 und/oder des Unterdrucks an der Rotorinnenseite in axialer Richtung vorbelastet
wird. Zwecks Abdichtung sind an dem vorderen Ende der Buchse 40 sowie gegenüberliegend
auf den Rotor 1 konzentrische Ringe vorgesehen, welche berührungslos in-einander
greifen und somit eine Labyrinthdichtung darstellen. Die Abstände bzw. Spalte zwischen
den Ringen sind derart dimensioniert, daß bei den maximal erreichbaren Bewegungen
des Rotors keine Berührung erfolgt. Die Herstellung der beschriebenen Vorrichtung
in großen Stückzahlen und insbesondere bei recht kleinen Abmessungen, beispielsweise
bei einem Außendurchmesser der Buchse von ca. 15 mm läßt sich aufgrund des gegliederten
Aufbaues leicht durchfäheen Dazu werden die SPeicher
30, 31 in
den Ringen 35, 3G angeordnet und ebenso die LagerbuclL e 23, Hülse 25 sowie Ftssung
28 in der Buchse 37.
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Anschließend werden die derart gebildeten Baugruppen in die Buchse
40 eingeschoben und mittels der Abdeckscheibe 41 und Umbördeln des Buchsenendes
lil der Buchse befestigt.
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Die derart ausgefüllte Buchse stellt eine vollständige Lagereinheit
dar und ist beispielsweise mittels des Gewindes 43 im Stator zu befestigen. Anschließend
ist der Zapfen des Rotors in die Lagerbuchse 23 einzuführen.
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Treten in der beschriebenen Vorrichtung Störungen auf, so kann die
Lagereinheit ohne besonderen Aufwand ausgetauscht werden.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung ist folgende: Lagerbuchse 23 sowie
Speicher 30, 31 werden bei der Herstellung mit Schmiermittel getränkt. Bei sich
drehendem Zapfen 22 gelangt Schmiermittel aus der Lagerbuchse 23 in den Spalt zwischen
Lagerbuchse und Zapfen, aber auch in den Spalt zwischen Scheibe 47 und Lagerbuchse.
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Das durch den erstgenannten Spalt fließende Schmiermittel wird von
dem Zapfenende in den Speicher 31 zurückgefördert, .während das durch den anderen
Spalt fließende Schmiermittel in den Speicher 30 mittels der Scheibe 47 gefördert
wird. Da die genannten Speicher direkt an der Lagerbuchse anliegen, wird in der
porösen Lagerbuchse immer genügend Schmiermittel sein um auch über lange Laufzeiten
eine Schmierung zu gewährleisten. Mittels der Nuten wird bewirkt, daß Schmiermittel
praktisch von allen Seiten her in die Lagerbuchse gelangen kann. Darüberhinaus verhindert
die Labyrinthdichtung mit den Ringen 50, 51 das Austreten des Schmiermittels.
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