DE4200589A1 - Kugellagerung fuer elektromotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kugellagerung für Elektromotoren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Es ist üblich, als Radiallager für mit höheren Drehzahlen um­ laufende Maschinenteile, insbesondere auch für die Rotoren von Elektromotoren Wälzlager zu verwenden. In Fällen, wo die Radi­ allager auch ins Gewicht fallende Axialkräfte aufnehmen müssen, haben sich insbesondere bei kleineren Lagerungen viel­ fach die relativ preiswerten, betriebssicheren und hohe Standzeiten aufweisenden einreihigen Rillenkugellager bewährt. Zur Vermeidung von Verspannungen durch infolge betriebsbeding­ ter Erwärmung auftretende unterschiedliche Größen- und Längenänderungen ist es dabei üblich, von den zur Lagerung benutzten Rillenkugellagern eines axial festzulegen (Festlager) und das andere so einzubauen, daß der Außenring des Lagers axial verschiebbar ist. Dadurch ist auch das rotierende Ma­ schinenteil bzw. der Rotor eines Elektromotors axial fest­ gelegt, wobei jedoch das als betriebsnotwendig von Herstel­ lerseite festgelegte Axialspiel bleibt.

Dieses an sich sehr geringe axiale Lagerspiel erweist sich in vielen Fällen, beispielsweise bei in der Chemiefaserindustrie betriebenen Spindelmotoren, direkt angetriebenen Spulköpfen, Treibwalzen u. ä. als betrieblich störend und Korrosionser­ scheinungen fördernd, weshalb versucht wurde, die störende Wirkung des Spiels durch einseitige Vorspannung des Festla­ gers, beispielsweise über Passungsauswahl für das Loslager und dessen vorgespannten Einbau zu unterdrücken. Durch am Schiebe­ sitz des Loslagers auftretende Korrosion wurde jedoch rel. schnell die Passung unwirksam, wodurch sich der Sitz lockerte und die Vorspannung verlorenging.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und wenig kostenintensive Lösung zur Unterdrückung des Lager­ spiels bereitzustellen, durch welche die bekannten Schwierig­ keiten vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Festlager ein Kugellager und vorzugsweise ein Rillenkugellager, während das Loslager eines der bekannten Wälzlager, die bei festgelegtem Innen- und Außenring konstruktionsbedingt geringe axiale Ver­ schiebung zulassen, aber auch ein Gleitlager sein kann. Die zur Vorspannung des Rillenkugellagers erforderliche Axialkraft kann beispielsweise dadurch aufgebracht werden, daß bei einem Elektromotor der Rotor gegenüber dem Stator axial versetzt ist, so daß beim Einschalten des Motors eine den Rotor in den Stator zurückziehende und dadurch die Lagerkugeln des Festlagers gegen den entsprechenden Rand der Laufrille im Außenring anlegende magnetische Kraft wirksam und während des Betriebs auch auf­ rechterhalten wird.

Die Größe der axial wirksam werdenden Kraft kann durch das Ausmaß des Versatzes innerhalb durch den Zwang zur Beibehal­ tung der Motorleistung gegebener Grenzen so festgelegt werden, daß die beständige einseitige Anlage des Lagers bei allen Betriebszuständen gewährleistet ist. Wird als Loslager zum Beispiel ein Rollenlager gewählt, bei dem einer der Ringe ohne die Rollen seitlich führende Borde ausgebildet ist, so kann bei erfindungsgemäß erzeugter Vorspannkraft der Ausgleich etwa der durch betriebsbedingte Erwärmung hervorgerufenen Längenänderun­ gen ohne Einfluß auf die Höhe der Vorspannung stattfinden. Die weiter oben in Verbindung mit der bekannten Lösung zu beobachtenden Korrosionserscheinungen werden daher vermieden, zumal dabei nur die für Wälzlager bekannten und bei der Herstellung berücksichtigten Beanspruchungsformen auftreten.

Anhand des in der beigegebenen Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels wird die Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen Lagerung im Axialschnitt,

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung.

Sofern im folgenden nichts anderes gesagt ist, gilt die Figu­ renbeschreibung stets für beide Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und 2.

Gemäß den Fig. 1 und 2 besteht ein erfindungsgemäßer Elektromo­ tor 1 aus einem Stator 2 und einem Rotor 3.

Der Stator 2 besitzt ein zentrales feststehendes Statorwick­ lungspaket 22. Dieses ist in etwa im mittleren Bereich des Stators 2 angeordnet.

Der Rotor 3 weist ein ebenfalls zentrales Rotorwicklungspaket 23 auf. Dieses ist in etwa im mittleren Bereich des Rotors 3 angeordnet. Darüberhinaus besitzt der Rotor 3 beidseitig über das Rotorwicklungspaket 23 hinausragende Enden der Rotorwelle 4, welche die Lagerung 5, 6 des Rotors 3 in der im folgenden beschriebenen Weise aufnehmen.

Der Rotor 3 ist innerhalb des Stators 2 drehbar gelagert. Hierzu sitzt der Rotor 3 jeweils im Bereich der Enden des Rotorwicklungspakets 23 in einem Festlager 5 und in einem Los­ lager 6.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung bedeutet die Bezeichnung "Festlager", daß das Festlager 5 sowohl gegenüber dem Stator 2 als auch gegenüber dem Rotor 3 in axialer Richtung unver­ schieblich festgelegt ist, und zwar ausschließlich formschlüs­ sig.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist hierzu das Festlager 5 mit seinem Innenring auf dem Rotor festgesetzt, während der Außenring mit einer entsprechenden Halterung am Stator befes­ tigt ist.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist hierzu der Außenring 10 des Festlagers 5 in einem Zwischenring 9 angeordnet.

Der Außenring 10 liegt mit beiden Stirnseiten 11, 12 an den ihm zugewandten Stirnflächen 13, 14 der beidseitig angeordneten radialen Spannringe 33, 34 eng an.

Der Außendurchmesser 15 des Zwischenrings 9 sitzt eng innerhalb des rohrartigen Außengehäuses 16 und ist mittels der radialen Spannringe 33, 34 ebenfalls in beiden Axialrichtungen festge­ legt.

Der Innenring 17 des Festlagers 5 stützt sich einerseits in Richtung zur radialen Mittelebene 18 des Rotors 3 auf einer Rotordurchmesserstufe 19 der Rotorwelle 4 ab. Deren Durchmesser ist gegenüber dem Lagerinnendurchmesser vergrößert. Ander­ erseits wird der Lagerinnenring 17 von einem axialen Spannring 20 auf der Rotorwelle gegen die nach auswärts weisende Stirn­ fläche 21 der Durchmesserstufe 19 gepreßt.

Durch diese Maßnahmen wird eine axiale Bewegung des Rotors stets von dem Lagerinnenring 17 unmittelbar und spielfrei aufgenommen und über die Lagerkörper auf den stillstehenden Lageraußenring 10 übertragen.

Im vorliegenden Fall liegt ein einreihiges Rillenkugellager vor, dessen Lagerkörper die Kugeln 29 sind.

Der Lageraußenring 10 seinerseits sitzt gegenüber dem rohrför­ migen Außengehäuse 16 in axialer Richtung unverschieblich fest.

Sobald eine Axialkraft auf den Rotor einwirkt, wird diese über den mitdrehenden Lagerinnenring 17 auf den stillstehenden Lageraußenring 10 gegeben, der diese in den Zwischenring 9 und somit in das rohrförmige Außengehäuse 16 ableitet.

Demzufolge wird an diesem Ende des Rotors 3 jegliche Axial­ bewegung prinzipiell unterbunden.

Dies wird also für beide Ausführungsbeispiele prinzipiell dadurch erreicht, daß das Festlager 5 in der oben beschriebenen Weise gegenüber Rotor 3 und Stator 2 ausschließlich formschlüs­ sig festgelegt ist.

Allerdings verbleibt noch das hier interessierende Axialspiel innerhalb des Rillenkugellagers. Hierauf wird noch eingegangen werden.

Das andere Ende des Rotors 3 ist in einem sogenannten Loslager 6 gelagert.

Unter einem Loslager 6 wird im Rahmen der vorliegenden Erfin­ dung ein Lager verstanden, welches eine axiale Relativbewegung zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 zuläßt, die über das reine Axialspiel eines Lagers hinausgeht.

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen sitzt hierzu der Innenring des Loslagers 6 unverrückbar auf der Rotorwelle 4 fest und der Außenring des Loslagers 6 ist gegenüber dem Gehäuse in geeigneter Weise gehaltert. Das Lager ist als Wälzlager mit zylindrischen Wälzkörpern ausgebildet und kann somit verschiedene Axialstellungen einnehmen.

Im Ausführungsbeispiel gem. Fig. 2 ist der Loslagerinnenring 24 zwischen einer am Rotor 3 befindlichen Durchmesserstufe 25 und einem axialen Spannring 26 eingespannt.

Dadurch wird in diesem Ausführungsbeispiel der Innenring 24 des Loslagers 6 in axialer Richtung von dem Spannring 26 fest auf dem Rotor gehalten.

Dies soll jedoch keine Einschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsform bedeuten, da prinzipiell der Innenring 24 auch mit einer Preßpassung auf die Rotorwelle geschoben sein kann (s. Fig. 1).

Der Loslageraußenring 27 sitzt nun mit seinem Außendurchmesser in einem ringförmigen Loslagersitz 28. Der Loslageraußenring 27 ist innerhalb des ringförmigen Loslagersitzes 28 in axialer Richtung vollständig festgelegt, und in radialer Richtung spielfrei eingepaßt.

Andererseits ist der Loslagersitz 28 gegenüber dem rohrförmigen Außengehäuse 16 des Stators 2 axial durch die beidseits angeordneten Spannringe 35, 36 festgelegt, so daß der Loslager­ sitz gegenüber dem Außengehäuse 16 keine Relativbewegung durchführen kann.

In den beiden Ausführungsbeispielen ist das Loslager ein Wälz­ lager, bei dem sich zwischen dem Lagerinnenring 24 und dem Lageraußenring 27 die Wälzkörper 30 umfangsmäßig verteilen.

Diese Wälzkörper laufen auf dem Innenring in einer umlaufenden Ringnut ab. Die axiale Länge der Ringnut entspricht dabei der axialen Länge der Wälzkörper 30. Demzufolge umgreift die Ringnut die Wälzkörper 30 von beiden Stirnseiten und fixiert diese in axialer Richtung.

Hingegen ist die Lauffläche des Außenrings 27 für die Wälzkör­ per 30 in axialer Richtung ohne Begrenzung, so daß den Wälzkör­ pern 30 eine Laufbahn im Außenring 27 zur Verfügung steht, die in axialer Richtung veränderbar ist.

Die jeweilige tatsächliche Laufbahn richtet sich dabei nach der Position des Innenrings 24 des Loslagers und ist z. B. von der Rotortemperatur abhängig.

In den beiden Ausführungsbeispielen ist das Festlager 5 ein Einzellager, nämlich ein einreihiges Rillenkugellager mit dem mitdrehenden Lagerinnenring 17, dem feststehenden Lageraußen­ ring 10, sowie den dazwischen befindlichen Lagerkugeln 29.

Es soll ausdrücklich gesagt sein, daß die gezeigte Lagerpaarung keine Einschränkung der Erfindung bedeutet, sondern in dieser Anordnung und Paarung nur beispielhaft gezeigt ist.

Wesentlich an den gezeigten Ausführungsbeispielen ist nun, daß zwischen Stator 2 und Rotor 3 eine magnetische axiale Wirk­ paarung vorgesehen ist, die das Festlager 5 in einer Anlage­ stellung festlegt, wobei das Festlager 5 gegenüber Rotor 3 und Stator 2 ausschließlich formschlüssig festgelegt ist.

Wie bereits oben beschrieben wurde, ist der Rotor 3 innerhalb des Stators 2 in axialer Richtung am Festlager 5 festgelegt und am Loslager 6 axial beweglich gelagert. Dabei wird, wie ebenfalls bereits gesagt wurde, eine Axialkraft des Rotors 3 am Ende des Festlagers 5 von dem Lagerinnenring 17 über die Lagerkugeln 29 auf den Lageraußenring 10 und von diesem über den Zwischenring 9 in das rohrförmige Gehäuse 16 abgeleitet.

Dabei stützt sich der Lagerinnenring 17 an den Lagerkugeln 29 dort ab, wo die Laufrille des Lagerinnenringes 17 ihren zum In­ neren des Elektromotors 1 weisenden Rand 37 besitzt.

Weiterhin stützen sich die Lagerkugeln 29 am Lageraußenring 10 dort ab, wo die Laufrille des Lageraußenrings 10 ihren nach außen weisenden Rand 38 besitzt.

Sobald die Lagerkugeln 29 sowohl an dem Rand 37 der Laufrille des Innenrings 17 als auch an dem Rand 38 der Laufrille des Außenrings 10 anliegen, ist die erfindungsgemäße Anlagestellung erreicht.

Der Kraftfluß erfolgt dann von dem betreffenden Rand 37 des Lagerinnenrings 17 über die Lagerkugeln 29 auf den betreffenden Rand 38 des Lageraußenrings 10.

Dabei wird der Lagerinnenring 17 relativ zum Lageraußenring 10 lediglich innerhalb des unvermeidlichen Axialspiels des Fest­ lagers 5 verschoben, bis die Anlagestellung erreicht ist.

Der Verschiebeweg ist also festgelegt durch die Anlagestellung des Lagerinnenrings 17 an der Kugel und der Kugel an dem Lageraußenring 10. Sobald sich Lagerinnenring 17 und Lager­ außenring 10 mit ihren betreffenden Rändern 36, 37 gleichzeitig an den Lagerkugeln abstützen, ist das axiale Lagerspiel über­ wunden und die Anlagestellung erreicht.

Dies ist erfindungsgemäß während des Betriebes des Elektromo­ tors ständig der Fall.

Dabei kommt es darauf an, daß dies durch eine berührungsfreie Kraftübertragung erfolgt, wodurch sich der Vorteil einer verschleißlosen Axialkrafteinleitung auf den Rotor ergibt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Rotor 3 gegenüber dem Stator 2 durch eine magnetische Wirkpaarung in ständiger axialer Anlagestellung gehalten wird.

Die Anlagestellung ergibt sich lediglich innerhalb des Fest­ lagers 5, nachdem durch die magnetische Wirkpaarung das axiale Lagerspiel überbrückt worden ist.

Zur Vermeidung weiteren Axialspiels ist das Festlager gegenüber Rotor und Stator ausschließlich formschlüssig festgelegt, wie oben bereits erläutert wurde.

Es ist nun leicht einzusehen, daß infolge der ständigen axialen Anlagestellung die bisher unkontrollierbare Axialbewegung der Rotorwelle 4 infolge des unvermeidlichen Axialspiels unter­ bunden ist.

Die magnetische axiale Wirkpaarung besteht aus einem Magnet­ paar, dessen einer Partner mitdrehend auf dem Rotor 3 sitzt und dessen anderer Partner ortsfest am Stator 2 sitzt. Dabei sind die Magnete nicht zwangsläufig so anzuordnen, daß die mag­ netische Kraft auf den Rotor 3 in Richtung der Kraft 7 weist, also von dem Loslager 6 zum Festlager 5.

Die realisierte Kraftrichtung 7 kann ggf. auch andersherum vorgegeben werden. Dies hat zur Folge, daß der Rotor auf die eben beschriebene Weise in der anderen der beiden Anlagestel­ lungen läuft.

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist die magnetische Wirkpaarung in besonderer Weise ausgebildet:
In beiden Ausführungsbeispielen ist die radiale Mittelebene 18 des Rotorwicklungspakets 23 gegenüber der radialen Mittelebene 31 des Statorwicklungspakets 22 in axialer Richtung um den Versatz 8 in Richtung zum Loslager 6 verschoben. Damit läuft der Rotor 3 mit seinem Rotorwicklungspaket 23 axial unsym­ metrisch innerhalb des Statorwicklungspakets 22.

Die Versatzrichtung kann ohne Einschränkung der Erfindung auch in Richtung zum Festlager vorgegeben sein.

Sie ist ausdrücklich nicht ausschließlich so zu wählen, daß sich die Richtung der axialen Kraft entsprechend der Kraft­ richtung 7 einstellt, nämlich vom Loslager zum Festlager.

Die gewünschte Kraftrichtung ist allein abhängig von den Einbau- und Verwendungsvorgaben für den Elektromotor 1.

Sie kann z. B. auch abhängig von der Drehrichtung 32 und gege­ benenfalls auch abhängig von der Bauart des Elektromotors 1 sein, was durch entsprechende Vorgaben zu berücksichtigen ist. Der Versatz 8 bewirkt eine axiale Unsymmetrie zwischen dem feststehenden Statorwicklungspaket 22 und dem Rotorwick­ lungspaket 23 mit dem Ergebnis einer axial wirkenden Magnet­ kraft von dem Statorwicklungspaket 22 auf das Rotorwick­ lungspaket 23, wenn dieses bestimmungsgemäß vom Strom durch­ flossen ist.

Diese axiale Unsymmetrie des Rotors 3 innerhalb des Stators 2 sorgt dafür, daß der Rotor 3 im Betrieb des Elektromotors 1, und zwar bereits beim Einschalten, durch die magnetische Axial­ kraft des Statorwicklungspakets 22 auf das Rotorwicklungspaket 23 in Richtung des Axialspiels des Festlagers gezogen wird. Dabei überwindet der Rotor dieses Axialspiel, bis er in spielfreier Anlagestellung festgelegt ist.

Diese Anlagestellung hält er während des Laufens bei.

Die Höhe der Einzugskräfte ist also so vorgegeben, daß diese Anlagestellung während des gesamten Betriebs beigehalten wird.

Bezugszeichenaufstellung

 1 Elektromotor
 2 Stator
 3 Rotor
 4 Rotorwelle
 5 Festlager
 6 Loslager
 7 Kraftrichtung
 8 Versatz
 9 Zwischenring
10 Außenring
11 Stirnseite
12 Stirnseite
13 Stirnfläche
14 Stirnfläche
15 Außendurchmesser
16 rohrförmiges Außengehäuse
17 Innenring
18 radiale Mittelebene (Rotor)
19 Rotordurchmesserstufe
20 axialer Spannring
21 Stirnfläche der Durchmesserstufe
22 Statorwicklungspaket
23 Rotorwicklungspaket
24 Loslagerinnenring
25 Durchmesserstufe
26 axialer Spannring
27 Loslageraußenring
28 Loslagersitz
29 Lagerkugel
30 Wälzkörper
31 radiale Mittelebene (Stator)
32 Drehrichtung
33 radialer Spannring (Festlager, außen)
34 radialer Spannring (Festlager, innen)
35 radialer Spannring (Loslager, innen)
36 radialer Spannring (Loslager, außen)
37 innerer Stützrand
38 äußerer Stützrand

Claims (3)

1. Kugellagerung für Elektromotoren mit einem Festlager und einem Loslager und Einrichtung zum Vorspannen des Festla­ gers, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stator (2) und Rotor (3) eine magnetische axiale Wirkpaarung vorgesehen ist, die das Festlager (5) in einer axialen Anlagestellung festlegt, wobei das Festlager (5) gegenüber Rotor (3) und Stator (2) ausschließlich form­ schlüssig festgelegt und vorzugsweise ein Einzellager ist.

2. Kugellagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festlager (5) ein Kugellager, vorzugsweise ein Rillen­ kugellager ist.

3. Kugellagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) gegenüber dem Stator (2) des Motors (1) axial versetzt ist.