WO2010108481A1 - Lagerring mit einer elektrischen isolierung sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2010108481A1
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bearing ring
bearing
electrical insulation
ceramic
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PCT/DE2010/000330
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Sergej Schwarz
Gudrun Martin
Frank Steinhauer
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Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg
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    • F16C2208/80—Thermosetting resins
    • F16C2208/90—Phenolic resin

Definitions

  • the invention relates to a method according to claim 1 for the preparation of an electrical insulation bearing ring for a rolling bearing, a
  • current-isolated bearings known from the prior art are designed to suppress the passage of direct current through the bearing.
  • an insulation in particular an electrically insulating coating, applied to one of the bearing rings, so that a high electrical breakdown field strength is required to allow passage of current through the bearing.
  • DE 1 243 944 B describes a phosphate layer as electrical insulation on an outer surface of the body of a bearing ring of a rolling bearing.
  • the phosphate layer is applied wet-chemically.
  • DE 101 37 785 A1 describes a method for forming an electrical insulation of a bearing ring for a rolling bearing, wherein a sprayed or sprayed ceramic layer is applied to a surface of a body of the bearing ring.
  • an insulating layer is provided, which surrounds the body of the bearing ring at least partially, for example, on the outer lateral surface of the body, wherein the insulating layer is formed in several layers and by wrapping the body of the bearing ring with a thread surrounded by a thread or ribbon-shaped carrier material, especially a glass thread of about 50 to 100 ⁇ m in diameter, which has been immersed in, for example, phenolic resin. Immediately before wrapping, the glass thread is passed through the resin, so that the wound glass thread is wetted outside with the resin. After solidification of the resin, a multilayered layer consisting of glass fibers disposed in the resin is formed.
  • the trained according to the aforementioned method bearing rings have as electrical insulation in substantially homogeneous layers, the one high breakdown field strength required, so that the electrical insulation is particularly suitable for the shielding of direct current.
  • the bearing rings produced by the above method are only limited suitable.
  • capacitive, frequency-dependent resistors occur in the case of alternating currents, for which a high-resistance homogeneous coating may represent a resistance which is only little suitable.
  • eddy currents occur when a ground current flows between the housing and ground, causing a magnetic flux to flow around the shaft supported in the bearing and thus an eddy current in the bearing rings.
  • Typical currents are also about a few amperes at frequencies of a few hundred kilohertz.
  • so-called rotor earth currents may occur when the rotor mounted in the rolling bearing is grounded and the grounding impedance is less than the impedance of the housing in which the rolling bearing is housed.
  • the current intensity or the frequencies of the rotor earth currents are in the range specified for the eddy currents.
  • residual currents can occur between various capacities whose influence is difficult to estimate. Object of the invention
  • a bearing ring according to claim 14 or 15 for example, by the method according to claim 1, characterized in that the insulating layer contains an additive which improves the electrical, in particular the dielectric, and / or the mechanical properties of the electrical insulation.
  • the electrical properties of the electrical insulation can be adjusted so that the bearing ring in particular also shows an improved AC performance compared to alternating currents.
  • the additive is present as compared to the surrounding resin or the carrier material demarcated, solid phase present and may be added to the still liquid resin in the implementation of the inventive method or applied to the carrier material wetting, still liquid resin, for example, sprayed ,
  • the material design of the additive in the insulating layer represents a degree of freedom that can be used to form an optimized in particular against alternating currents insulation.
  • the geometric configuration of the additive represents a further degree of freedom.
  • the additive may be present as a powder or as threads which are arranged in the insulating layer. Further, it is possible to use the thread-shaped or band-shaped carrier of the resin layer made of the material of the additive. Finally, there is the possibility of providing a gradient, be it the material formation or the geometric configuration of the additive.
  • the surface of the body of the bearing ring of the additive may be present as a particle of a first material and at a distance from the surface of the body of the bearing ring as a thread of the same or a further material, so that a gradient perpendicular to the surface of the body of the Bearing ring is created.
  • Such a design freedom of the formation of the insulating layer is made possible by a method according to claim 1, by adding the additive, for example, the resin through which the thread- or tape-shaped carrier material is passed before the coated with the resin carrier material is wound around the body of the bearing ring , It is also possible to choose the material of the carrier material from the additive, so that instead of or in addition to glass fibers, threads or tapes of the additive are wetted by the resin.
  • the additive used has a relative dielectric constant of less than about 3 and a very low dielectric loss factor.
  • a bearing ring is produced, which has an additive in the insulating layer, which has a relative dielectric constant of less than about 3 and a very low dielectric loss factor. Due to the low dielectric constant and the very low dielectric loss factor, the bearing ring is particularly suitable for electrical shielding against alternating currents in the range of a few hundred kilohertz to several megahertz and thus for a range in which the ECD, vortex or ground currents mentioned above occur ,
  • PTFE As the material for the additive, PTFE, for example, is provided whose relative dielectric constant in the specified range is about 2.1 and whose dielectric loss factor tan ( ⁇ ) is less than 0.0001.
  • This forms an electrically insulating layer with a capacity that is less than the grounding capacity of the rolling bearing or of the housing, so that in particular the rotor earth currents no longer take the path through the rolling bearing, but the way through the ground.
  • the additive for example the PTFE, can be provided as a particle or fiber in the insulation layer or, alternatively or additionally, as material for the substrate, so that the substrate either exclusively or in addition to glass fibers comprises PTFE fibers.
  • the particles or the fibers may be added to the resin surrounding the carrier material.
  • the single or further additive comprises a ceramic, in particular an oxidic or nitridic ceramic.
  • the ceramic sets the dielectric properties of the insulating layer over a wide range. When using a ceramic with temperature-independent dielectric properties, the electrical insulation changes only slightly when operating the bearing.
  • the relative dielectric constant of the ceramic has a substantially temperature-independent course.
  • the ceramic is formed as a mixture of at least two ceramic subcomponents, wherein the mixture of at least two ceramic subcomponents has a substantially-tu- runon course of the relative dielectric constant ,
  • the two ceramic subcomponents can be selected such that the first subcomponent comprises a first substance, which has a first As the dielectric properties increase, the second sub-component comprises a substance which exhibits a temperature-decreasing profile of the dielectric property.
  • the resulting mixture forms a ceramic whose relative dielectric constant has a largely temperature-independent course.
  • subcomponents such as TiO 2 , Ba 2 Ti 9 O 2 O or MgTiO 3 offer, each of which has a linear course of the dielectric properties with the temperature.
  • the additive used is a ceramic or a ceramic subcomponent having the properties given above, which are provided as particles or fibers in the insulating layer and, for example, added to the resin as powder.
  • the single or further additive has a macromolecular material with a high proportion of oxygen atoms per molecule and a low flash point.
  • the macromolecular material has the advantage due to the high proportion of oxygen atoms per molecule and due to the low flash point, in the presence of electrically conductive, in particular metallic grains in the insulating layer propagation of a breakdown throughout the insulation layer to suppress. If a voltage breakdown forms through the insulating layer, the macromolecules evaporate and react with the metallic grains to form reaction products such as water or carbon dioxide, during which the energy of the electrical breakdown is absorbed during the chemical reaction.
  • the electrical breakdown thus generates a cavity in the insulating layer, without completely penetrating the insulating layer, so that the insulating layer is retained in its insulating effect.
  • a pulp in particular of wool or paper
  • the pulp may be added to the liquid resin, for example, by introducing particles of paper or wool into the resin.
  • the pulp, especially the wool or the paper is provided as a carrier material, optionally as an additional carrier material to, for example, glass fibers.
  • the single or further additive improves the mechanical damping of the insulating layer.
  • a material which has a good damping behavior with regard to mechanical vibrations is used as the sole or further additive.
  • the material is provided as a particle or fiber in the electrical insulation layer or alternatively or additionally thereto as an addition to the resin.
  • the additive comprises a polyurethane.
  • the one or more additive comprises lead particles or lead filaments.
  • Lead particles or lead filaments for example in the form of fibers or as a material of the carrier material, increase the durability of the insulating layer against high-energy, in particular radioactive radiation.
  • the lead particles or fibers of lead can be added to the resin, alternatively or additionally it can be provided that the carrier material comprises filaments of lead, optionally in addition to other filaments, in particular in addition to glass fibers, as a carrier material.
  • the at least one additive is formed as a particle or thread, which are added to the resin. During the formation of the multilayer insulation layer, a targeted addition of the particles or filaments into the resin can easily produce a gradient within the insulation layer. In addition, particles or filaments added to the resin are easy to control and control in quantity and control the amount of resin required to form an insulating layer of a given thickness.
  • the at least one additive is selected as the material of at least one part of the carrier material.
  • both the carrier material and the additive received in the resin can be made of the same material or different materials.
  • the additive instead of the glass fibers or in addition to the glass fibers, to choose the additive both as a dielectric and for the mechanical stabilization of the insulating layer.
  • Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of a preferred embodiment of a bearing ring according to the invention of a preferred embodiment of a rolling bearing according to the invention produced according to a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 represents only a highly schematic embodiment; In particular, the size ratios of the individual parts are not to scale among each other. Nor are successive layers separated by a sharp interface.
  • Fig. 1 shows a bearing ring 1, which is provided as an outer ring of a rolling bearing, not shown, wherein the bearing ring 1 has a body 2, on whose outer lateral surface 3 is formed as a multi-layer insulation layer 4 formed electrical insulation.
  • the insulating layer 4 comprises a first layer 5, which is applied directly to the outer surface 3 as the surface of the body 2, a second layer 6, which is arranged at the greatest possible distance from the outer lateral surface 3, and a third layer 7, which substantially is arranged centrally between the first layer 5 and the second layer 6.
  • Each of the layers 5, 6, 7 is formed from a carrier material 8 and a solid resin matrix 9 surrounding the carrier material 8, in the present case phenolic resin.
  • the material used for the carrier material 8 are PTFE filaments which are wound in layers from right to left or from left to right around the body 2, so that a cross pattern results in plan view of the lateral surface 3.
  • the material of the carrier material 8 has been provided as PTFE.
  • the PTFE threads of the carrier material 8 are thus a first additive 10 accommodated in the resin matrix 9 and thus in the insulating layer 4.
  • the insulating layer 4 comprises PTFE particles which are arranged in the first layer 5 with a higher concentration than in the second layer 6, so that a gradient is formed in a direction perpendicular to the surface 2.
  • the PTFE threads 10 of the carrier material 8 and the PTFE particles 11 have in the range of a few hundred kilohertz to about a few megahertz a relative dielectric constant of less than about 3 and a very low dielectric loss factor.
  • the insulating layer 4 threads of pulp, in particular cotton or paper, on.
  • the concentration of the threads of pulp 12 is higher in the first layer 5 than in the second layer 6, so that also a gradient in a direction perpendicular to the surface 3 is formed.
  • the concentration of the yarns 12 made of pulp increasing toward the body 2 takes into account the circumstance of preventing the insulation layer 4 from breaking through, starting from the jacket surface 3 of the body 2. For this purpose, interact with the threads 12 made of cellulose electrically conductive grains, which are not shown, together, the volume density also increases to the lateral surface 3 of the body 2 out.
  • the insulating layer 4 comprises balls of a polyurethane, which is provided in the insulating layer 4 with a substantially constant volume density.
  • the bearing ring 1 has been manufactured such that the body 2 has been provided with the surface 3. Subsequently, the insulating layer 4 was produced by wrapping the surface 3 several times. For this purpose, the PTFE threads of the carrier material 8 were introduced into the resin and wound in layers on the body 2. For supplying the first additive 10 into the insulating layer 4, PTFE was selected as material for the threads of the carrier material 8.
  • the still liquid resin 9 PTFE particles 11, pulp filaments 12 and polyurethane balls 13 was added as a powder, each of which adhere to the resin 9 and the resin 9 outside of the PTFE filaments of the support material 8 are attached.
  • the resin 9 connects adjacent turns of the PTFE filament to form the resin matrix 9, in which the additives 11, 12 and 13 are accommodated.
  • a PTFE thread was provided as carrier material 8, which was wound several times around the surface 3 of the body 2 within each layer 5, 6, 7. It is understood that the substrate 8 need not be a substantially one-dimensional thread with approximately round cross-section.
  • the carrier material also have a flattened cross-section, for example as a band.
  • the carrier material can also be designed as a substantially two-dimensional fabric or web. It is further understood that the carrier material 8 can also consist of different materials; For example, glass fibers may be provided in addition to or instead of the PTFE fibers.
  • a ceramic in particular a blank made of a ceramic film, may be provided.
  • the second additive 11 and the third additive 12 each had a gradient in concentration in a direction perpendicular to the surface 3 of the body 2. It is understood that the respective additives 10, 11, 12, 13 may also have a gradient along the surface 3. For example, the number of turns per unit area of the Support material 8 selected first additive 10 along the surface 3 in one direction increase. Alternatively or additionally, the concentration of the additives 11, 12, 13 present as particles or threads along the surface 3 may have a gradient.
  • the resin matrix 9 was formed of a phenolic resin. It is understood that instead of the phenolic resin and an epoxy resin or a mixture of phenolic and epoxy resin may be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines eine elektrische Isolierung aufweisenden Lagerrings für ein Wälzlager, sowie einen beispielsweise mittels des Verfahrens hergestellten Lagerring für ein Wälzlager, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Korpus (2) des Lagerrings (1), Aufbringen einer mehrlagigen, das Korpus (2) des Lagerrings (1) mindestens abschnittsweise umgebenden Isolationsschicht (4) durch Umwickeln des Korpus (2) des Lagerrings (1) mit einem von einem Harz umgebenen Trägermaterial (8), zur Ausbildung der elektrischen Isolierung. Das Verfahren und der beispielsweise mittels des Verfahrens hergestellte Lagerring sind dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (4) einen Zusatzstoff (10, 11, 12, 13) enthält, der die elektrischen, insbesondere die dielektrischen, und/oder die mechanischen Eigenschaften der elektrischen Isolierung verbessert. Erfindungsgemäß wird damit ein Lagerring bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings angegeben, wobei der Lagerring insbesondere zur Abschirmung von Wechselströmen geeignet ist.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Lagerring mit einer elektrischen Isolierung sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines eine elektrische Isolierung aufweisenden Lagerrings für ein Wälzlager, einen
Lagerring nach Anspruch 15 bzw. 16 sowie ein Wälzlager nach Anspruch 17.
Aus der Praxis ist die Forderung bekannt, einen Stromdurchtritt durch ein Lager zu unterbinden, da anderenfalls eine sogenannte Elektrokorrosion auftritt, die das Lager beschädigt. Die Forderung nach einem stromisolierten Lager tritt insbesondere im Zusammenhang mit elektrischen Motoren, Gene* ratoren oder Radsatzlagern für beispielsweise Schienenfahrzeuge auf.
Aus dem Stand der Technik bekannte stromisolierte Lager sind insbesonde- re darauf ausgelegt, einen Durchtritt von Gleichstrom durch das Lager zu unterdrücken. Hierzu ist an einem der Lagerringe eine Isolierung, insbesondere eine elektrisch isolierende Beschichtung, aufgebracht, so dass eine hohe elektrische Durchbruchsfeldstärke erforderlich wird, um einen Stromdurchgang durch das Lager zu ermöglichen.
DE 1 243 944 B beschreibt eine Phosphatschicht als elektrische Isolierung auf einer äußeren Fläche des Korpus eines Lagerrings eines Wälzlagers. Die Phosphatschicht wird dabei nasschemisch aufgetragen.
DE 101 37 785 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung einer elektrischen Isolierung eines Lagerrings für ein Wälzlager, wobei eine gesprühte oder gespritzte Keramik-Schicht auf eine Fläche eines Korpus des Lagerrings ausgebracht wird.
DE 101 61 820 A1 und DE 10 2007 000 436 T5 beschreiben ebenfalls keramische Schichten als elektrische Isolierung eines Lagerrings.
Es ist ferner bekannt, einen eine elektrische Isolierung aufweisenden Lagerring eines Wälzlagers derart herzustellen, dass das Korpus des Lagerrings bereitgestellt wird und auf einen Haltedorn fixiert wird. Zur Ausbildung der elektrische Isolierung ist eine Isolationsschicht vorgesehen, die das Korpus des Lagerrings mindestens abschnittsweise, beispielsweise an der äußeren Mantelfläche des Korpus, umgibt, wobei die Isolationsschicht mehrlagig ausgebildet ist und durch ein Umwickeln des Korpus des Lagerrings mit einem von einem Harz umgebenen, faden- oder bandförmigen Trägermaterial, speziell einem Glasfaden von ca. 50 bis 100 μm Durchmesser, der in beispiels- weise Phenolharz getaucht wurde, hergestellt ist. Unmittelbar vor dem Umwickeln wird dabei der Glasfaden durch das Harz geführt, so dass der gewickelte Glasfaden außen mit dem Harz benetzt ist. Nach dem Verfestigen des Harzes entsteht eine mehrlagige Schicht, die aus Glasfasern besteht, die in dem Harz angeordnet sind.
Die nach den vorgenannten Verfahren ausgebildeten Lagerringe weisen als elektrische Isolierung im wesentlichen homogene Schichten auf, die eine hohe Durchbruchsfeldstärke erforderlich machen, so dass die elektrischen Isolierungen insbesondere für die Abschirmung von Gleichstrom geeignet sind.
Für die elektrische Abschirmung gegenüber Wechselströmen sind die nach den genannten Verfahren hergestellten Lagerringe jedoch nur begrenzt geeignet. Insbesondere treten bei Wechselströmen kapazitive, frequenzabhängige Widerstände auf, für die eine hochohmige homogene Beschichtung unter Umständen ein nur wenig geeigneter Widerstand darstellt.
Speziell der Einsatz von schnell schaltbaren Bipolartransistoren macht einen hochdynamischen Betrieb von drehzahlveränderlichen Antrieben möglich. Dabei ändern sich die im Bereich der Wälzlager auftretenden Spannungen bzw. Ströme ebenfalls hochdynamisch, so dass neuartige Typen von Wech- seiströmen auftreten, die eine eigens abgestimmte elektrische Isolierung erforderlich machen. Insbesondere tritt durch ein Zusammenwirken einer Gleichtaktspannung und einer Maschinenkapazität im EHD-Betrieb eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Lagerringen des Wälzlagers auf, die zu einem impulsförmigen Strom führt, sobald es zu einer Entladung kommt (sog. EMD-Strom, Electric Discharge Machining-Strom): Hierbei treten Stromstärken von bis zu 3 Ampere bei Frequenzen bis zu einigen MHz auf. Weiter treten Wirbelströme auf, wenn ein Erdungsstrom zwischen dem Gehäuse und der Erdung fließt, der einen magnetischen Ringfluss um die in dem Lager gelagerte Welle und damit einen Wirbelstrom in den Lagerringen verursacht. Typische Stromstärken liegen hier ebenfalls bei ca. einigen Ampere bei Frequenzen von einigen hundert Kilohertz. Ebenfalls können sogenannte Rotorerdströme auftreten, wenn der in dem Wälzlager gelagerte Rotor geerdet ist und die Erdungsimpedanz geringer ist als die Impedanz des Gehäuses, in dem das Wälzlager aufgenommen ist. Die Stromstärke bzw. die Frequenzen der Rotorerdströme liegen in dem für die Wirbelströme angegebenen Bereich. Weiter können zwischen diversen Kapazitäten Restströme auftreten, deren Einfluss schwer abschätzbar ist. Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere für die Abschirmung von Wechselströmen geeigneten Lagerrings für ein Wälzlager anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen beispielsweise nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellten Lagerring nach Anspruch 14 oder 15 dadurch gelöst, dass die Isolationsschicht einen Zusatzstoff enthält, der die elektrischen, insbesondere die dielektrischen, und / oder die mechanischen Eigenschaften der elektrischen Isolierung verbessert.
Aufgrund des Zusatzstoffes in der Isolationsschicht lassen sich die elektrischen Eigenschaften der elektrischen Isolierung so einstellen, dass der Lagerring insbesondere auch eine gegenüber Wechselströmen verbesserte Isolationswirkung zeigt. Der Zusatzstoff ist dabei als gegenüber dem umgebenden Harz bzw. dem Trägermaterial abgegrenzte, feste Phase vorhanden und kann bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dem noch flüssigen Harz zugesetzt sein bzw. auf das das Trägermaterial benetzende, noch flüssige Harz aufgetragen, beispielsweise aufgesprüht, worden sein.
Die stoffliche Ausgestaltung des Zusatzstoffes in der Isolationsschicht, speziell die Wahl des Materials für den Zusatzstoff, stellt einen Freiheitsgrad dar, der zur Ausbildung einer insbesondere gegenüber Wechselströmen optimierten Isolation genutzt werden kann. Alternativ oder ergänzend hierzu stellt die geometrische Ausgestaltung des Zusatzstoffes einen weiteren Frei- heitsgrad dar. Beispielsweise kann der Zusatzstoff als Pulver vorliegen oder als Fäden, die in der Isolationsschicht angeordnet sind. Weiter ist es möglich, den faden- oder bandförmigen Träger der Harzschicht aus dem Material des Zusatzstoffes auszubilden. Schließlich bietet sich die Möglichkeit, einen Gradienten sei es der stofflichen Ausbildung oder der geometrischen Ausgestaltung des Zusatzstoffes vorzusehen. Beispielsweise kann nach der Oberfläche des Korpus des Lagerrings der Zusatzstoff als Partikel aus einem ersten Material und in einem Abstand von der Oberfläche des Korpus des Lagerrings als Faden aus dem gleichen oder einem weiteren Material vorliegen, so dass ein Gradient senkrecht zu der Oberfläche des Korpus des Lagerrings entsteht.
Eine derartige Gestaltungsfreiheit der Ausbildung der Isolationsschicht wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 ermöglicht, indem der Zusatzstoff beispielsweise dem Harz zugesetzt wird, durch das das faden- oder bandförmige Trägermaterial geführt wird, bevor das mit dem Harz benetzte Trägermaterial um das Korpus des Lagerrings gewickelt wird. Auch wird es möglich, das Material des Trägermaterials aus dem Zusatzstoff zu wählen, so dass anstelle von oder ergänzend zu Glasfasern Fäden oder Bänder aus dem Zusatzstoff von dem Harz benetzt werden.
Vorzugsweise ist hinsichtlich des Verfahrens vorgesehen, dass verwendete der Zusatzstoff eine relative Dielektrizitätskonstante von weniger als ca. 3 sowie einen sehr geringen dielektrischen Verlustfaktor aufweist. Damit wird ein Lagerring hergestellt, der in der Isolationsschicht einen Zusatzstoff aufweist, der eine relative Dielektrizitätskonstante von weniger als ca. 3 sowie einen sehr geringen dielektrischen Verlustfaktor aufweist. Aufgrund der ge- ringen Dielektrizitätskonstanten und des sehr geringen dielektrischen Verlustfaktors eignet sich der Lagerring insbesondere zur elektrischen Abschirmung gegenüber Wechselströmen im Bereich von einigen hundert Kilohertz bis einigen Megahertz und damit für einen Bereich, in dem die eingangs genannten ECD-, Wirbel- oder Erdungsströme auftreten.
Als Material für den Zusatzstoff ist beispielsweise PTFE vorgesehen, dessen relative Dielektrizitätskonstante in dem angegebenen Bereich ca. 2,1 beträgt und dessen dielektrischer Verlustfaktor tan(δ) weniger als 0,0001 beträgt. Damit bildet sich eine elektrisch isolierende Schicht mit einer Kapazität aus, die geringer als die Erdungskapazität des Wälzlagers bzw. des Gehäuses ist, so dass insbesondere die Rotorerdströme nicht mehr den Weg durch das Wälzlager, sondern den Weg durch die Erdung nehmen.
Der Zusatzstoff, beispielsweise das PTFE, kann als Partikel bzw. Faser in der Isolationsschicht vorgesehen bzw. alternativ oder ergänzend hierzu als Material für das Trägermaterial, so dass das Trägermaterial entweder aus- schließlich oder ergänzend zu Glasfasern PTFE-Fasern umfasst. Die Partikel bzw. die Fasern können dabei dem Harz zugesetzt sein, das das Trägermaterial umgibt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der einzige oder weitere Zusatzstoff eine Keramik, insbesondere eine oxidische oder nitridische Keramik, umfasst. Die Keramik stellt dabei die dielektrischen Eigenschaften der Isolationsschicht über einen weiten Bereich ein. Bei Verwendung einer Keramik mit temperaturunabhängigen dielektrischen Eigenschaften ändert sich die elektrische Isolation auch bei Betrieb des Wälzlagers nur wenig.
Vorzugsweise ist hinsichtlich der Auswahl der Keramik vorgesehen, dass die relative Dielektrizitätskonstante der Keramik einen im wesentlichen temperaturunabhängigen Verlauf aufweist.
Alternativ hierzu kann für einen im wesentlichen temperaturunabhängigen Verlauf der relativen Dielektrizitätskonstanten der Keramik vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Keramik als Mischung von mindestens zwei keramischen Teilkomponenten ausgebildet ist, wobei die Mischung der mindestens zwei keramischen Teilkomponenten einen im wesentlichen temperatu- runabhängigen Verlauf der relativen Dielektrizitätskonstante aufweist. Die beiden keramischen Teilkomponenten können so gewählt werden, dass die erste Teilkomponente einen ersten Stoff umfasst, der einen mit der Tempe- ratur zunehmenden Verlauf der dielektrischen Eigenschaften aufweist, und die zweite Teilkomponente einen Stoff umfasst, der einen mit der Temperatur abnehmenden Verlauf der dielektrischen Eigenschaft. Durch die Mischung der beiden Teilkomponenten der Keramik, speziell durch die stoffli- che Auswahl der Teilkomponenten bzw. der Auswahl des Mischungsverhältnisses der Teilkomponenten, wird sichergestellt, dass die sich ergebende Mischung eine Keramik ausbildet, deren relative Dielektrizitätskonstante einen weitgehend temperaturunabhängigen Verlauf aufweist. Speziell bieten sich Teilkomponenten wie TiO2, Ba2Ti9O2O oder MgTiO3 an, die jeweils einen linearen Verlauf der dielektrischen Eigenschaften mit der Temperatur aufweisen.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird als Zusatzstoff eine Keramik bzw. eine keramische Teilkomponente mit den oben angegebenen Eigenschaften verwendet, die als Partikel oder Fasern in der Isolationsschicht vorgesehen sind und beispielsweise dem Harz als Pulver zugefügt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der einzige oder weitere Zusatzstoff ein makromolekulares Material mit einem hohen Anteil an Sauerstoff-Atomen pro Molekül und einem geringen Flammpunkt aufweist. In der Isolationsschicht des Lagerringes weist das makromolekulare Material aufgrund des hohen Anteils an Sauerstoff-Atomen pro Molekül und aufgrund des geringen Flammpunktes den Vorteil auf, in Gegenwart von elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Körnern in der Isolationsschicht eine Ausbreitung ei- nes Durchschlags durch die gesamte Isolationsschicht zu unterdrücken. Bildet sich ein Spannungsdurchschlag durch die Isolationsschicht, verdampfen die Makromoleküle und reagieren mit den metallischen Körnern zu Reaktionsprodukten wie Wasser oder Kohlendioxid, wobei bei der chemischen Umsetzung die Energie des elektrischen Durchschlags absorbiert wird. Der elektrische Durchschlag erzeugt damit einen Hohlraum in der Isolationsschicht, ohne die Isolationsschicht vollständig zu durchsetzen, so dass die Isolationsschicht in ihrer isolierenden Wirkung erhalten bleibt. Als makromolekulares Material mit einem hohen Anteil an Sauerstoff- Atomen pro Molekül mit einem geringen Flammpunkt ist vorzugsweise die Verwendung von einem Zellstoff, insbesondere von Wolle oder Papier, vorgesehen, so dass bei der Durchführung des Verfahrens vorzugsweise vor- gesehen ist, dass der Zusatzstoff den Zellstoff, insbesondere die Wolle oder das Papier, umfasst. Der Zellstoff kann dem flüssigen Harz zugesetzt sein, beispielsweise, indem Partikel von Papier oder Wolle in das Harz eingeführt sind. Alternativ oder ergänzend hierzu ist vorgesehen, dass der Zellstoff, speziell die Wolle oder das Papier, als Trägermaterial, ggf. als zusätzliches Trägermaterial zu beispielsweise Glasfasern, vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der einzige oder weitere Zusatzstoff die mechanische Dämpfung der Isolationsschicht verbessert. Bei der Durchführung des Verfahren ist hierzu vorgesehen, dass als einziger oder weiterer Zusatzstoff ein Material verwendet wird, das ein gutes Dämpfungsverhalten bezüglich mechanischer Schwingungen aufweist. Das Material ist als Partikel oder Faser in der elektrischen Isolationsschicht vorgesehen bzw. alternativ oder ergänzend hierzu als Zugabe zu dem Harz.
Insbesondere ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Zusatzstoff ein Polyurethan umfasst.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der eine oder weitere Zusatzstoff Bleipartikel oder Bleifäden umfasst. Bleipartikel bzw. Bleifäden, beispielsweise in Form von Fasern oder als Material des Trägermaterials, erhöhen die Haltbarkeit der Isolationsschicht gegenüber hochenergetischer, insbesondere radioaktiver Strahlung. Die Bleipartikel bzw. Fasern aus Blei können dem Harz zugesetzt sein, alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das Trägermaterial Fäden aus Blei, ggf. zusätzlich zu anderen Fäden, insbe- sondere zusätzlich zu Glasfasern, als Trägermaterial umfasst. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der mindestens eine Zusatzstoff als Partikel oder Faden ausgebildet ist, die dem Harz zugesetzt sind. Während der Ausbildung der mehrlagigen Isolationsschicht lässt sich durch eine gezielte Zugabe der Partikel oder Fäden in das Harz leicht ein Gradient innerhalb der Isolationsschicht erzeugen. Zusätzlich lassen sich Partikel oder Fäden als Zugabe zu dem Harz leicht mengenmäßig steuern und kontrollieren und reduzieren die Menge des Harzes, die erforderlich ist, um eine Isolationsschicht einer bestimmten Dicke auszubilden.
Alternativ oder ergänzend zu der Ausbildung des mindestens einen Zusatzstoffes als Partikel oder Faden ist vorzugsweise vorgesehen, dass der mindestens eine Zusatzstoff als Material mindestens eines Teils des Trägermaterials ausgewählt ist. Damit können sowohl das Trägermaterial als auch der in dem Harz aufgenommene Zusatzstoff aus dem gleichen Material oder verschiedenen Materialen bestehen. Insbesondere ist es möglich, anstelle der Glasfasern oder zusätzlich zu den Glasfasern den Zusatzstoff sowohl als Dielektrikum als auch zur mechanischen Stabilisierung der Isolationsschicht zu wählen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines nach einer bevorzugten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lagerrings eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wälzlagers. Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Vorab sei festgestellt, dass Fig. 1 nur ein stark schematisiertes Ausführungsbeispiel darstellt; insbesondere sind die Größenverhältnisse der einzelnen Teile untereinander nicht maßstäblich. Ebenso wenig sind aufeinanderfolgende Lagen durch eine scharfe Grenzfläche voneinander getrennt.
Fig. 1 zeigt einen Lagerring 1 , der als Außenring eines nicht weiter dargestellten Wälzlagers vorgesehen ist, wobei der Lagerring 1 ein Korpus 2 aufweist, an dessen äußerer Mantelfläche 3 eine als mehrlagige Isolationsschicht 4 ausgebildete elektrische Isolierung aufgetragen ist.
Die Isolationsschicht 4 umfasst eine erste Lage 5, die unmittelbar auf die äußere Mantelfläche 3 als Oberfläche des Korpus 2 aufgebracht ist, eine zweite Lage 6, die in größtmöglichen Abstand von der äußeren Mantelfläche 3 angeordnet ist, und eine dritte Lage 7, die im wesentlichen mittig zwischen der ersten Lage 5 und der zweiten Lage 6 angeordnet ist.
Jede der Lagen 5, 6, 7 ist aus einem Trägermaterial 8 und einer das Trägermaterial 8 umgebenden festen Harzmatrix 9, vorliegend Phenolharz, ausgebildet. Als Material des Trägermaterials 8 dienen PTFE-Fäden, die lagenweise jeweils von rechts nach links bzw. von links nach rechts um das Korpus 2 gewickelt sind, so dass sich in Draufsicht auf die Mantelfläche 3 ein Kreuzmuster ergibt.
Zur Verbesserung der mechanischen sowie elektrischen Eigenschaften, insbesondere zur Herstellung einer möglichst guten Isolierung bei Wechselspannung, ist das Material des Trägermaterials 8 als PTFE bereitgestellt worden. Die PTFE-Fäden des Trägermaterials 8 sind damit ein erster, in der Harzmatrix 9 und damit in der Isolationsschicht 4 aufgenommener Zusatzstoff 10 ausgebildet. Als weiteren, zweiten Zusatzstoff 11 umfasst die Isolationsschicht 4 PTFE- Partikel, die in der ersten Lage 5 mit einer höheren Konzentration als in der zweiten Lage 6 angeordnet sind, so dass in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche 2 ein Gradient entsteht.
Die PTFE-Fäden 10 des Trägermaterials 8 sowie die PTFE-Partikel 11 weisen im Bereich von einigen Hundert Kilohertz bis ca. einige Megahertz eine relative Dielektrizitätskonstante von weniger als ca. 3 auf sowie einen nur sehr geringen dielektrischen Verlustfaktor.
Als weiteren, dritten Zusatzstoff 12 weist die Isolationsschicht 4 Fäden aus Zellstoff, insbesondere aus Baumwolle bzw. aus Papier, auf. Die Konzentration der Fäden aus Zellstoff 12 ist in der ersten Lage 5 höher als in der zweiten Lage 6, so dass ebenfalls ein Gradient in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche 3 ausgebildet wird. Die zu dem Korpus 2 hin zunehmende Konzentration der Fäden 12 aus Zellstoff trägt dem Umstand Rechnung, ein Durchbrechen der Isolationsschicht 4 durch einen elektrischen Durchschlag ausgehend von der Mantelfläche 3 des Korpus 2 zu verhindern. Hierzu wirken mit den Fäden 12 aus Zellstoff elektrisch leitende Körner, die bildlich nicht dargestellt sind, zusammen, deren Volumendichte ebenfalls zu der Mantelfläche 3 des Korpus 2 hin zunimmt.
Als weiteren, vierten Zusatzstoff 14 umfasst die Isolationsschicht 4 Kugeln aus einem Polyurethan, das in der Isolationsschicht 4 mit im wesentlichen konstanter Volumendichte vorgesehen ist.
Der Lagerring 1 ist derart hergestellt worden, dass das Korpus 2 mit der Oberfläche 3 bereitgestellt wurde. Anschließend wurde die Isolationsschicht 4 durch mehrfaches Umwickeln der Oberfläche 3 hergestellt. Hierzu wurden die PTFE-Fäden des Trägermaterials 8 in das Harz eingeführt und lagenweise auf das Korpus 2 aufgewickelt. Zur Zuführung des ersten Zusatzstoffes 10 in die Isolationsschicht 4 wurde PTFE als Material für die Fäden des Trägermaterials 8 ausgewählt.
Zur Zuführung der weiteren Zusatzstoffe 11 , 12, 13 wurde dem noch flüssigen Harz 9 PTFE-Partikel 11 , Zellstoff-Fäden 12 sowie Polyurethan- Kugeln 13 jeweils als Pulver zugesetzt, die jeweils an dem Harz 9 haften und mit dem Harz 9 außen an den PTFE-Fäden des Trägermaterials 8 angelagert werden. Bei dem Umwickeln der Oberfläche 3 verbindet das Harz 9 benachbarte Wicklungen des PTFE-Fadens unter Ausbildung der Harzmatrix 9, in der die Zusatzstoffe 11 , 12 und 13 aufgenommen sind.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war als Trägermaterial 8 ein PTFE-Faden vorgesehen, der innerhalb einer jeden Lage 5, 6, 7 mehrfach um die Oberfläche 3 des Korpus 2 gewickelt wurde. Es versteht sich, dass das Trägermaterial 8 kein im wesentlichen eindimensionaler Faden mit annähernd runden Querschnitt zu sein braucht. Das Trägermaterial auch einem abgeflachten Querschnitt aufweisen, beispielsweise also als Band vorliegen. Weiter kann das Trägermaterial auch als im wesentlichen zweidimensionales Gewebe bzw. Gespinst ausgebildet sein. Es versteht sich weiter, dass das Trägermaterial 8 auch aus verschiedenen Materialien bestehen kann; beispielsweise können Glasfasern zusätzlich oder anstelle der PTFE-Fasern vorgesehen sein. Ebenfalls kann anstelle von PTFE als Material für das Trägermaterial 8 beispielsweise eine Keramik, insbesondere ein Zuschnitt aus einer keramischen Folie, vorgesehen sein.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wiesen der zweite Zusatzstoff 11 und der dritte Zusatzstoff 12 jeweils einen Gradienten in der Konzentration in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche 3 des Korpus 2 auf. Es versteht sich, dass die jeweiligen Zusatzstoffe 10, 11 , 12, 13 auch einen Gradienten entlang der Oberfläche 3 aufweisen können. Beispielsweise kann die Zahl der Windungen pro Flächeneinheit des als Trägermaterial 8 gewählten ersten Zusatzstoffes 10 entlang der Oberfläche 3 in einer Richtung hin zunehmen. Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Konzentration der als Partikel oder Fäden vorliegenden Zusatzstoffe 11 , 12, 13 entlang der Oberfläche 3 einen Gradienten aufweisen.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem die Harzmatrix 9 aus einem Phenolharz ausgebildet war. Es versteht sich, dass anstelle des Phenolharzes auch ein Epoxydharz bzw. eine Mischung aus Phenol- und Epoxydharz vorgesehen sein kann.
Bezugszeichenliste
1 Lagerring 2 Korpus des Lagerrings 1
3 Oberfläche des Korpus 2
4 Isolationsschicht
5 erste Lage
6 zweite Lage 7 dritte Lage
8 Trägermaterial
9 Harzmatrix
10 erster Zusatzstoff
11 zweiter Zusatzstoff 12 dritter Zusatzstoff
13 vierter Zusatzstoff

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines eine elektrische Isolierung aufweisenden Lagerrings für ein Wälzlager, wobei das Verfahren die Schritte umfasst Bereitstellen eines Korpus (2) des Lagerrings (1 ),
Aufbringen einer mehrlagigen, das Korpus (2) des Lagerrings (1) mindestens abschnittsweise umgebenden Isolationsschicht (4) durch Umwickeln des Korpus (2) des Lagerrings (1) mit einem von einem Harz umgebenen Trägermaterial (8), zur Ausbildung der elektri- sehen Isolierung, wobei die Isolationsschicht (4) einen Zusatzstoff (10, 11 , 12, 13) enthält, der die elektrischen, insbesondere die dielektrischen, und / oder die mechanischen Eigenschaften der elektrischen Isolierung verbessert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (10, 11) eine relative Dielektrizitätskonstante von weniger als ca. 3 sowie einen sehr geringen dielektrischen Verlustfaktor aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (10, 11) PTFE umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige oder weitere Zusatzstoff eine Keramik, insbesondere eine oxidische oder nitridische Keramik, umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Dielektrizitätskonstante der Keramik einen im wesentlichen temperaturunabhängigen Verlauf aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik als Mischung von mindestens zwei keramischen Teilkomponenten ausgebildet ist, wobei die Mischung der mindestens zwei keramischen Teilkomponenten einen im wesentlichen temperaturunabhängigen Verlauf der relativen Dielektrizitätskonstante aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige oder weitere Zusatzstoff (12) ein makromolekulares Material mit einem hohen Anteil an Sauerstoff-Atomen pro Molekül und einem geringen Flammpunkt aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das der Zusatzstoff (12) einen Zellstoff, insbesondere Wolle oder Papier, umfasst.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich- net, dass der einzige oder weitere Zusatzstoff (13) die mechanische
Dämpfung der Isolationsschicht verbessert.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (13) ein Polyurethan umfasst.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder weitere Zusatzstoff Bleipartikel oder Bleifäden umfasst.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zusatzstoff (11 , 12, 13) als Partikel oder Fasern ausgebildet ist, die dem Harz zugesetzt sind.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich- net, dass der mindestens eine Zusatzstoff (10) als Material mindestens eines Teils des Trägermaterials (8) ausgewählt ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration, eine stoffliche Ausgestaltung und / oder eine geometrische Ausgestaltung des Zusatzstoffes (11 , 12) einen
Gradienten in der Isolationsschicht (4) aufweist.
15. Lagerring (1) für ein Wälzlager, wobei der Lagerring (1) ein Korpus (2) mit einer das Korpus (2) des Lagerrings (1) mindestens abschnitts- weise umgebenden Isolationsschicht (4) zur Ausbildung einer elektrischen Isolierung umfasst, gekennzeichnet durch einen in der elektrischen Isolationsschicht (4) angeordneten Zusatzstoff (10, 11 , 12, 13) mit den Eigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
16. Lagerring für ein Wälzlager, insbesondere Lagerring (1) nach Anspruch 15, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
17. Wälzlager mit mindestens einem Lagerring (1) gemäß Anspruch 15 oder 16.
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