WO2011042410A1 - Wälzlager mit einer integrierten permanenterregten elektrischen maschine - Google Patents

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WO2011042410A1
WO2011042410A1 PCT/EP2010/064787 EP2010064787W WO2011042410A1 WO 2011042410 A1 WO2011042410 A1 WO 2011042410A1 EP 2010064787 W EP2010064787 W EP 2010064787W WO 2011042410 A1 WO2011042410 A1 WO 2011042410A1
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WO
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rolling bearing
bearing according
winding
carrier
secondary part
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Application number
PCT/EP2010/064787
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Rink
Original Assignee
Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/004—Electro-dynamic machines, e.g. motors, generators, actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2380/00—Electrical apparatus
    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Definitions

  • the invention relates to a rolling bearing with an integrated permanently excited electrical machine according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to the use of a pancake generator in a rolling bearing.
  • Rotary bearings comprise as mutually movable (rotatable) bearing parts an inner ring and an outer ring.
  • detection of rotational speed and direction, or other monitoring tasks of the rotating bearing part are required.
  • electronic components sensors, actuators, processors, data storage, Certainly are used, to which energy must be supplied.
  • WO 2008/014766 A1 describes a device for monitoring at least one operating variable of a wheel set bearing of a rail vehicle.
  • the device comprises a sensor and a transmitting unit, which are arranged with the bearing ring rotating at the end of the wheel axle, and a generator unit with a co-rotating and a rotationally fixed generator element for powering the sensor and transmitter unit. That with- rotating generator element is arranged at the end of the wheel axle Wiegandelement, while the second cooperating generator element is formed by fixedly arranged magnets.
  • This device can not be integrated directly into the warehouse.
  • a bearing arrangement in which a tachometer is integrated.
  • a flywheel between the two rows of rolling elements is mounted on the rotatable inner ring.
  • the pole wheel is formed at its periphery by a magnetic ring with alternately arranged poles of the magnets.
  • a Hall sensor is provided in the outer ring in radial alignment with the flywheel.
  • the pole wheel may also be made of a ferromagnetic material having salient poles (e.g., teeth), then a magnet is required in the sensor assembly. Since the sensor is provided on the fixed bearing part, its energy supply is unproblematic.
  • the generator is arranged in the annular space between the two rows of tapered rollers and comprises a rotor which rotates with the inner ring and the axis and a stator which is fixedly arranged on the outer ring.
  • the rotor comprises a series of permanent magnets arranged at equal intervals on the annular area between the tapered rollers in the circumferential direction.
  • the poles of the permanent magnets are arranged radially, and in each case alternately polarized distributed around the ring.
  • the stator is a laminated core made of magnetic steel foils with distinct teeth, each carrying a wound coil. The three-phase stator winding results from a Y-connection of the coils.
  • the object of the invention is to provide a roller bearing with an integrated generator which, with a rotating rolling bearing, provides sufficient energy for electronic components which are arranged in or on the roller bearing.
  • the axial space is not possible or only minimally increased compared to conventional bearings and a low-cost manufacturing possible.
  • An inventive rolling bearing initially comprises in a known manner as bearing parts an inner ring and an outer ring, and a permanent-magnet electric machine.
  • the electric machine comprises at least one disk-shaped primary part and a disc-shaped secondary part, one of which is non-rotatably connected to the inner ring and the other with the outer ring, wherein the primary part in the circumferential direction with alternating polarity arranged permanent magnets and wherein the secondary part has at least one first ironless armature winding , which is arranged in an air gap of a magnetic circuit formed by the primary part and an iron yoke.
  • the advantages of the invention are to be seen in particular in the fact that the production for all common rolling bearing types is simple and cost-effective. is possible.
  • the generator is extremely flat and can therefore be integrated with little effort into common rolling bearing types.
  • Another advantage can be seen in that the electric machine can work in principle both in engine operation, as well as in generator mode. Although only the generator operation is dealt with in the embodiments described below, it is also included in the invention to use the electric machine as the drive motor. This opens up further application possibilities.
  • the armature winding is a surface winding, which are applied as printed conductor tracks on one or more insulated layers of a bobbin and connected accordingly.
  • the interconnection of the interconnects can be interconnected, for example, as a three-phase three-phase winding with rectifier circuit in star or delta connection.
  • the electric machine is a pancake generator in this embodiment, wherein a voltage is induced in the armature winding during rotation of one of the bearing parts. It does not matter whether the secondary part is designed as a rotor or a stator, that is, whether it is connected to the rotating or fixed bearing part.
  • the interstices of the surface winding are filled with a dielectric magnetic material which is applied in isolation to the winding conductors.
  • the surface winding can also be made of an electrically and magnetically conductive material.
  • the coil arrangement of the armature winding also serves to detect the rotational speed. This is done by determining the zero of the determined flow curve or the induced voltage. The zeros serve as angle reference marks, between which the current angular position is linearly interpolated or iteratively calculated.
  • a detection of the direction of rotation is possible in a further embodiment of the invention by determining the phase shift of the induced voltage of two spatially offset coil arrangements.
  • the armature winding may comprise two radially and circumferentially offset coils.
  • the values of the flux curve or the induced voltage are converted into a square wave signal for the determination of the direction of rotation and used as an A / B signal generator.
  • the direction of rotation can be determined.
  • the primary part comprises a first and a second disk-shaped ferromagnetic magnet carrier, between which the secondary part is arranged in parallel alignment of the disks such that the armature winding is positioned in the air gap of the magnetic circuit.
  • the permanent magnets can be arranged alternately polarized on one or both carriers. If the permanent magnets are arranged only on one of the two carriers, the other magnetic carrier with pronounced poles (pole shoes, teeth) must be made in order to achieve a homogeneous magnetic field in the air gap.
  • the magnetic flux is conducted through the ferromagnetic carrier, the magnetic return can be done via the inner ring or the outer ring. This design ensures good magnetic shielding to the environment.
  • the secondary part can comprise two coil carriers, between which the primary part (a ferromagnetic carrier with permanent magnets) is arranged. In this case, the bobbin must consist of a ferromagnetic material.
  • electronic components such as rectifier or commutation electronics and / or energy storage are further integrated into the rolling bearing. This is preferably done on the coil carrier, but can also be realized on the magnetic carrier.
  • the carriers (coil carrier and ferromagnetic carrier) are preferably combined with a sprayed-on sealing lip and form a labyrinth seal, which seals the generator against bearing lubrication.
  • the magnetic return flow is routed via the inner ring or via the outer ring of the rolling bearing.
  • radial ventilation slots may be provided. In this case, of course, a combination with the labyrinth seal is not possible.
  • Coil carriers and ferromagnetic carriers can have an annular stiffening to increase the speed stability.
  • FIG. 2 is a plan view of a ferromagnetic carrier with permanent magnets
  • FIG. 3 shows a sectional view of a first embodiment of the invention with a secondary part with a double-row loop winding between two carrier disks of a primary part
  • 4 shows a sectional view of a second embodiment of the invention with a secondary part with a single-row loop winding between two carrier disks of a primary part;
  • Fig. 5 is a sectional view of a third embodiment of the invention with a field winding
  • FIG. 6 is a sectional view of a fourth embodiment of the invention with a field winding and sliding contacts
  • FIG. 7 shows a sectional representation of a fifth embodiment of the invention with a primary part arranged between two carrier disks of a secondary part and a double-row loop winding;
  • FIG. 8 shows a sectional view of a fifth embodiment of the invention with a primary part arranged between two carrier disks of a secondary part and a single-row loop winding.
  • Fig. 1 shows a bobbin 01, as it is used in a rolling bearing according to the invention, in a plan view.
  • the bobbin 01 forms with an armature winding a secondary part of an electric machine.
  • It preferably consists of a layer structure, for example of a printed circuit board material FR4, which is a mixture of epoxy resin and glass fiber fabric, as a base material with a one- or double-sided copper layer with a layer thickness of preferably about 70 to 140 ⁇ , which are interconnected in several layers ( multilayer technology).
  • the adhesive bond of the double-sided copper layer can be effected, for example, by an endless-fiber-reinforced thermosetting plastic matrix (prepreg).
  • the armature winding can be formed, for example, as a single-row planar loop winding 02, as a double-row loop winding 03 or as a continuous wave winding 04 (meander-shaped). Both the loop windings 02, 03 and the wave winding 04 are distributed in the circumferential direction on the coil carrier 01.
  • the individual layers are plated through to interconnect the individual coils.
  • the person skilled in the art knows the possible variants of the circuits of the armature winding, for example as a three-phase winding in star or delta connection.
  • the coils of the double-row loop windings 03 are advantageously offset from each other in the circumferential direction by half a pole pitch P / 2. Thus, a sense of rotation is possible.
  • Fig. 2 shows a ferromagnetic carrier 06, which acts as a primary part of the electric machine.
  • the carrier 06 is disk-shaped.
  • permanent magnets 07 are arranged distributed with alternating polarity.
  • the width of a magnet 07 corresponds to a pole pitch P.
  • FIGS. 3 to 8 show various embodiments of the invention, each in a sectional representation.
  • the electric machine is in each case arranged between an inner ring 08 and an outer ring 09 of a roller bearing.
  • the bobbin 01 is non-rotatably connected to the inner ring 08 and carries a double-row loop Winding 03. It is between two ferromagnetic carriers 06, which are each equipped with alternately polarized permanent magnet 07, arranged, which are rotatably connected to the outer ring 09 of the bearing.
  • the magnetic circuit is closed by the outer ring 09 as Einsgur gleich. With ⁇ the magnetic flux is shown in the electric machine.
  • the bobbin 01 and the carrier 06 are each sealed from the other bearing part by a sealing lip 1 1.
  • the sealing lip 1 1 is preferably constructed as a labyrinth seal.
  • the bobbin 01 also includes an electronic component 12, which contains the necessary commutation or rectifier electronics.
  • the electronics module 12 can furthermore comprise a storage element for storing the electrical energy.
  • the storage device may comprise a battery, a capacitor and / or a coil.
  • components or circuits of the elements to be supplied by the generator can be integrated in the electronics module 12.
  • the pancake generator shown in Fig. 4 is in principle of the same type as that described above, but is provided on the bobbin 01 only a single-row loop winding 02.
  • FIGS. 5 and 6 show embodiments in which a first ferromagnetic carrier 06 is equipped with the permanent magnet 07 and a second ferromagnetic carrier 13 has salient poles 14, which are arranged opposite to the permanent magnets 07.
  • the carriers 06, 13 form the primary part.
  • the illustrated Examples in each case one of the primary part associated exciter winding 15 whose input voltage is used as a control variable to control the magnetic flux and thus the output voltage at the generator.
  • the Manethne the excitation winding 15 superimposed on the magnetic flux ⁇ of the primary part and changes the Nutzl, which is responsible for the voltage induction.
  • the excitation winding 15 is in the embodiment shown in Fig. 5 on the bobbin 01, and in the example shown in Fig. 6 between the ferromagnetic carriers 06, 13 (connected to the outer ring 09).
  • the coil carrier 01 carries the double-row loop winding 03, while in the embodiment shown in Fig. 6, the single-row loop winding 02 is provided.
  • the electronic component 12 is arranged on the second ferromagnetic carrier 13 in the embodiment shown in FIG. In this case, brushes 16 are provided to allow commutation.
  • the ferromagnetic carrier 06 equipped with the permanent magnets 07 is connected in a rotationally fixed manner to the inner ring 08 and arranged between two coil carriers 01.
  • the two coil carriers 01, which form the secondary part are made of a ferromagnetic material in order to conduct the magnetic flux accordingly.
  • the actual coils in multilayer technology are then applied to the ferromagnetic carriers (e.g., glued).
  • the exemplary embodiments according to FIGS. 7 and 8 differ in that, according to FIG. 7, the coil carrier 01 carries the double-row loop winding 03 and, according to FIG. 8, the single-row loop winding 02.
  • the possibilities of the arrangement of primary part shown in the figures and secondary part can be combined with each other.
  • the bobbin 01 may carry an anchor coil corresponding to the requirements, which may also be embodied differently than shown in FIG. It is also possible to swap the rotationally fixed arrangement of primary part and secondary part in the bearing parts and to guide the iron yoke on the inner ring.
  • the electric machine is simple and inexpensive for various common types of bearings produced and integrated into this.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem Innenring (08) und einem Außenring (09) als Lagerteile. Das Wälzlager umfasst eine permanenterregte elektrische Maschine. Erfindungsgemäß weist die elektrische Maschine mindestens ein scheibenförmiges Primärteil und ein scheibenförmiges Sekundärteil auf, von denen eines mit dem Innenring (08) und das andere mit dem Außenring (09) drehfest verbunden ist. Das Primärteil weist in Umfangsrichtung mit abwechselnder Polarität angeordnete Permanentmagnete (07) auf, das Sekundärteil umfasst mindestens eine erste eisenlose Ankerwicklung, die in einem Luftspalt eines durch das Primärteil und einen Eisenrückschluss gebildeten Magnetkreises angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines permanenterregten Scheibenläufer-Generators mit einem scheibenförmigen Anker in einem Wälzlager, wobei eine Ankerwicklung des Generators als Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung ausgeführt und im Luftspalt eines Magnetkreises angeordnet ist, der durch einen ferromagnetischen Träger mit darauf in abwechselnder Polarität angeordneten Permanentmagneten und einen Eisenrückschluss über den Innenring oder den Außenring gebildet wird.

Description

Bezeichnung der Erfindung
WÄLZLAGER MIT EINER INTEGRIERTEN PERMANENTERREGTEN ELEKTRISCHEN MASCHINE
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einer integrierten permanenterregten elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines Scheibenläufer-Generators in einem Wälzlager.
Rotations-Wälzlager umfassen als gegeneinander bewegbare (rotierbare) Lagerteile einen Innenring und einen Außenring. In verschiedenen Lageranwendungen sind beispielsweise die Erfassung von Drehzahl und Drehrichtung, oder andere Überwachungsaufgaben des rotierenden Lagerteils erforderlich. Für diese und andere Aufgaben werden elektronische Komponenten (Sensoren, Aktoren, Prozessoren, Datenspeicher, ...) verwendet, denen Energie zugeführt werden muss. Aus dem Stand der Technik sind hierfür teilweise Lösungen bekannt.
Die WO 2008/014766 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung mindestens einer Betriebsgröße eines Radsatzlagers eines Schienenfahr- zeuges. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor und eine Sendeeinheit, die mit dem Lagerring rotierend am Ende der Radachse angeordnet sind, und eine Generatoreinheit mit einem mitrotierenden und einem drehfesten Generatorelement zur Energieversorgung von Sensor und Sendeeinheit. Das mit- rotierende Generatorelement ist ein am Ende der Radachse angeordnetes Wiegandelement, während das zweite kooperierende Generatorelement von ortsfest angeordneten Magneten gebildet ist. Diese Vorrichtung ist nicht direkt in das Lager integrierbar.
In der EP 0 397 309 A2 wird eine Lageranordnung beschrieben, bei der ein Drehzahlmesser integriert ist. Bei einem zweireihigen Wälzlager ist ein Polrad zwischen den beiden Wälzkörperreihen am rotierbaren Innenring montiert. Das Polrad ist an seinem Umfang durch einen Magnetring mit abwech- selnd angeordneten Polen der Magnete gebildet. Ein Hallsensor ist im Außenring in radialer Ausrichtung zum Polrad vorgesehen. Das Polrad kann auch aus einem ferromagnetischen Material mit ausgeprägten Polen (z.B. Zähnen) ausgeführt werden, dann ist ein Magnet in der Sensoranordnung erforderlich. Da der Sensor am feststehenden Lagerteil vorgesehen ist, ist dessen Energieversorgung unproblematisch.
Aus der DE 695 24 014 T2 ist ein Radlager eines Schienenfahrzeuges (zweireihiges Kegelrollenlager) mit einem integrierten Drehstromgenerator bekannt. Die durch den Generator erzeugte Energie wird in einer Batterie gespeichert. Der Generator ist im Ringraum zwischen den beiden Reihen der Kegelrollen angeordnet und umfasst einen Rotor, der mit dem Innenring und der Achse rotiert und einen Stator, der am Außenring ortsfest angeordnet ist. Der Rotor umfasst eine Reihe von Dauermagneten, die in gleichen Abständen auf dem Ringbereich zwischen den Kegelrollen in Umfangsrich- tung angeordnet sind. Die Pole der Dauermagneten sind radial angeordnet, und jeweils abwechselnd polarisiert um den Ring herum verteilt. Der Stator ist ein Blechpaket aus magnetischen Stahlfolien mit ausgeprägten Zähnen, die jeweils eine gewickelte Spule tragen. Die dreiphasige Statorwicklung ergibt sich durch eine Y-Verschaltung der Spulen.
Aus der EP 0 402 240 A1 ist ein Schräg-Zylinderrollenlager mit einem integrierten Motor bekannt. Der Rotor ist mit dem Innenring verbunden, der Stator mit dem Außenring. Der Motor benötigt einen großen axialen Bauraum.
Aus der DE 39 18 166 C2 ist die Verwendung eines permanenterregten Generators mit einem feststehenden scheibenförmigen Anker als Fahrrad- Dynamo bekannt. Der scheibenförmige Anker ist dabei auf der feststehenden Achse angeordnet, die Leiterbahnen sind auf dem Anker als dreiphasige Drehstromwicklung aufgebaut.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager mit einem integrier- ten Generator zu schaffen, der bei rotierendem Wälzlager ausreichend E- nergie für elektronische Komponenten, die im oder am Wälzlager angeordnet sind, bereit stellt. Dabei soll der axiale Bauraum im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagern möglichst nicht oder nur minimal vergrößert werden und eine preiswerte Herstellung möglich sein.
Die Aufgabe wird mit einem Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch die Verwendung eines Scheibenläufer-Generators in einem Wälzlager gemäß Anspruch 15 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Wälzlager umfasst zunächst in bekannter Weise als Lagerteile einen Innenring und einen Außenring, sowie eine permanenterregte elektrische Maschine. Die elektrische Maschine umfasst mindestens ein scheibenförmiges Primärteil und ein scheibenförmiges Sekundärteil, von denen eines mit dem Innenring und das andere mit dem Außenring drehfest verbunden ist, wobei das Primärteil in Umfangsrichtung mit abwechselnder Polarität angeordnete Permanentmagnete aufweist und wobei das Sekundärteil mindestens eine erste eisenlose Ankerwicklung aufweist, die in einem Luftspalt eines durch das Primärteil und einen Eisenrückschluss gebildeten Magnetkreises angeordnet ist.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Herstellung für alle gängigen Wälzlagertypen einfach und kostengünstig reali- sierbar ist. Der Generator ist extrem flach und lässt sich dadurch aufwandsarm in gängige Wälzlagertypen integrieren. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass die elektrische Maschine prinzipiell sowohl im Motorbetrieb, als auch im Generatorbetrieb arbeiten kann. Auch wenn in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich auf den Generatorbetrieb eingegangen wird, ist es von der Erfindung miterfasst, die elektrische Maschine als Antriebsmotor zu verwenden. Damit eröffnen sich weitere Anwendungsmöglichkeiten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ankerwicklung eine Flächenwicklung, die als gedruckte Leiterbahnen auf einer oder mehreren isolierten Schichten eines Spulenträgers aufgebracht und entsprechend verschaltet sind. Dabei kann die Verschaltung der Leiterbahnen zum Beispiel als dreiphasige Drehstromwicklung mit Gleichrichter- Schaltung in Stern- oder Dreieckschaltung verschaltet werden. Die elektrische Maschine ist in dieser Ausführungsform ein Scheibenläufer-Generator, wobei in der Ankerwicklung bei einer Rotation eines der Lagerteile eine Spannung induziert wird. Es spielt dabei keine Rolle, ob das Sekundärteil als Rotor oder als Stator ausgebildet ist, d.h. ob es mit dem rotierenden oder feststehenden Lagerteil verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform, sind die Zwischenräume der Flächenwicklung mit einem dielektrischen magnetischen Material ausgefüllt, welches isoliert zu den Wicklungsleitern aufgebracht ist.
Dadurch erfolgt eine Verstärkung des Magnetflusses im Luftspalt. Die Flächenwicklung kann aber auch aus einem elektrisch und magnetisch leitenden Material hergestellt sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient die Spulenanordnung der Ankerwicklung gleichzeitig zur Erfassung der Drehzahl. Diese erfolgt durch eine Nullstellenbestimmung des ermittelten Flussverlaufes bzw. der induzierten Spannung. Die Nullstellen dienen als Winkelreferenzmarken, zwischen denen linear interpoliert oder iterativ die aktuelle Winkelposition berechnet wird.
Eine Drehrichtungserfassung ist in einer weiterten Ausführungsform der Erfindung möglich, durch die Ermittlung der Phasenverschiebung der induzierten Spannung zweier räumlich versetzter Spulenanordnungen. Dazu kann die Ankerwicklung zwei radial und in Umfangsrichtung zueinander versetzte Spulen umfassen. Die Werte des Flussverlaufes bzw. der induzierten Spannung werden für die Bestimmung der Drehrichtung in ein Rechtecksignal gewandelt und als A/B-Signalgeber verwendet. Über eine Flankenerkennung ist die Drehrichtung bestimmbar. Das Primärteil umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform einen ersten und einen zweiten scheibenförmigen ferromagnetischen Magnetträger, zwischen denen das Sekundärteil in paralleler Ausrichtung der Scheiben derart angeordnet ist, dass die Ankerwicklung im Luftspalt des magnetischen Kreises positioniert ist. In dieser Ausführungsform sind wiederum verschiedene Konfigurationen möglich: Die Permanentmagnete können auf einem oder auf beiden Trägern jeweils abwechselnd polarisiert angeordnet sein. Wenn die Permanentmagnete nur auf einem der beiden Träger angeordnet sind, ist der jeweils andere Magnetträger mit ausgeprägten Polen (Polschuhe, Zähne) auszuführen, um ein homogenes Magnetfeld im Luftspalt zu erreichen. Der magnetische Fluss wird durch die ferromagnetischen Träger geleitet, der magnetische Rückschluss kann über den Innenring oder den Außenring erfolgen. Diese Bauform gewährleistet eine gute magnetische Abschirmung zur Umgebung. In einer anderen Ausführungsform kann das Sekundärteil zwei Spulenträger umfassen, zwischen denen das Primärteil (ein ferromagnetischer Träger mit Permanentmagneten) angeordnet ist. In diesem Fall muss der Spulenträger aus einem ferromagnetischen Material bestehen.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind weiterhin elektronische Komponenten, wie Gleichrichter- oder Kommutierungselektronik und/oder Energiespeicher in das Wälzlager integriert. Vorzugsweise geschieht das auf dem Spulenträger, ist aber auch auf dem Magnetträger realisierbar.
Die Träger (Spulenträger und ferromagnetischer Träger) werden vorzugsweise mit einer aufgespritzten Dichtlippe kombiniert und bilden eine Laby- rinthdichtung, die den Generator gegen die Lagerschmierung abdichtet.
Der magnetische Rückfluss wird je nach Bauform über den Innenring oder über den Außenring des Wälzlagers geführt. In den Trägern (Spulenträger und ferromagnetischer Träger) können radiale Lüftungsschlitze vorgesehen sein. In diesem Fall ist natürlich eine Kombination mit der Labyrinthdichtung nicht möglich.
Spulenträger und ferromagnetische Träger können eine ringförmige Verstei- fung zur Erhöhung der Drehzahlfestigkeit aufweisen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig . 1 : eine Draufsicht auf einen Spulenträger;
Fig. 2: eine Draufsicht auf einen ferromagnetischen Träger mit Permanentmagneten; Fig. 3: eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Sekundärteil mit einer zweireihigen Schleifenwicklung zwischen zwei Trägerscheiben eines Primärteils; Fig. 4: eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem Sekundärteil mit einer einreihigen Schleifenwicklung zwischen zwei Trägerscheiben eines Primärteils;
Fig. 5: eine Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einer Erregerwicklung;
Fig. 6: eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform der Er- findung mit einer Erregerwicklung und Schleifkontakten;
Fig. 7: eine Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung mit einem zwischen zwei Trägerscheiben eines Sekundärteils angeordneten Primärteil und einer zweireihigen Schleifenwicklung;
Fig. 8: eine Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung mit einem zwischen zwei Trägerscheiben eines Sekundärteils angeordneten Primärteil und einer einreihigen Schleifenwicklung.
Fig. 1 zeigt einen Spulenträger 01 , wie er in einem erfindungsgemäßen Wälzlager Verwendung findet, in einer Draufsicht. Der Spulenträger 01 bildet mit einer Ankerwicklung ein Sekundärteil einer elektrischen Maschine. Er besteht vorzugsweise aus einem Schichtaufbau, z.B. aus einem Leiterplattenmaterial FR4, welches eine Mischung aus Epoxidharz und Glasfasergewebe ist, als Basismaterial mit einer ein- oder beidseitigen Kupferschicht mit einer Schichtdicke von vorzugsweise etwa 70 bis 140 μιτι, welche in mehreren Lagen miteinander verbunden werden (Multilayertechnologie). Die Kle- beverbindung der beidseitigen Kupferschicht kann hierbei beispielsweise durch eine endlosfaserverstärkte duroplastische Kunststoffmatrix (Prepreg) erfolgen. Auf dem scheibenförmigen Spulenträger 01 sind verschiedene Möglichkeiten der Anordnung der Spulen zur Ankerwicklung dargestellt. Die Ankerwicklung kann beispielsweise als einreihige flächenhaft ausgebildete Schleifenwick- lung 02, als zweireihige Schleifenwicklung 03 oder als fortlaufende Wellenwicklung 04 (mäanderförmig) ausgebildet sein. Sowohl die Schleifenwicklungen 02, 03, als auch die Wellenwicklung 04 sind in Umfangsrich- tung verteilt auf dem Spulenträger 01 angeordnet. Die einzelnen Schichten sind durchkontaktiert, um die einzelnen Spulen miteinander zu verschalten. Der Fachmann kennt die möglichen Varianten der Schaltungen der Ankerwicklung zum Beispiel als Dreiphasenwicklung in Stern- oder Dreieckschaltung.
Die Spulen der zweireihigen Schleifenwicklungen 03 sind vorteilhafterweise zueinander in Umfangsrichtung um eine halbe Polteilung P/2 versetzt angeordnet. Damit ist eine Drehrichtungserfassung möglich.
Fig. 2 zeigt einen ferromagnetischen Träger 06, der als Primärteil der elektrischen Maschine fungiert. Der Träger 06 ist scheibenförmig. In Umfangs- richtung sind Permanentmagneten 07 mit abwechselnder Polarität verteilt angeordnet. Dabei entspricht die Breite eines Magneten 07 einer Polteilung P.
In den Fig. 3 bis 8 sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung je- weils in einer Schnittdarstellung gezeigt.
Die Elektrische Maschine ist jeweils zwischen einem Innenring 08 und einem Außenring 09 eines Wälzlagers angeordnet.
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist der Spulenträger 01 drehfest mit dem Innenring 08 verbunden und trägt eine zweireihige Schleifen- Wicklung 03. Er ist zwischen zwei ferromagnetischen Trägern 06, die jeweils mit abwechselnd polarisierten Permanentmagneten 07 bestückt sind, angeordnet, welche mit dem Außenring 09 des Wälzlagers drehfest verbunden sind. Der Magnetkreis wird durch den Außenring 09 als Einsenrückschluss geschlossen. Mit Φ ist der magnetische Fluss in der elektrischen Maschine dargestellt. Der Spulenträger 01 und die Träger 06 sind jeweils gegenüber dem anderen Lagerteil durch eine Dichtlippe 1 1 abgedichtet. Die Dichtlippe 1 1 ist dabei vorzugsweise als Labyrinthdichtung aufgebaut. Der Spulenträger 01 umfasst außerdem einen Elektronik-Baustein 12, der die nötige Kommutierungs- bzw. Gleichrichterelektronik enthält.
Durch die relative Bewegung zwischen Innenring 08 und Außenring 09 wird in der Ankerwicklung 03 eine Spannung induziert, die zur Versorgung weite- rer Bauelemente, wie beispielsweise Sensoren oder Aktoren dient. Der E- lektronik-Baustein 12 kann weiterhin ein Speicherorgan zur Speicherung der elektrischen Energie umfassen. Das Speicherorgan kann eine Batterie, einen Kondensator und/oder eine Spule umfassen. Außerdem können im E- lektronik-Baustein 12 Komponenten oder Schaltungen der durch den Gene- rator zu versorgenden Elemente integriert sein.
Der in Fig. 4 dargestellte Scheibenläufer-Generator ist prinzipiell von gleicher Bauart, wie der zuvor beschriebene, jedoch ist auf dem Spulenträger 01 nur eine einreihige Schleifenwicklung 02 vorgesehen.
Die Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen jeweils ein erster ferromagnetischer Träger 06 mit den Permanentmagneten 07 bestückt ist und ein zweiter ferromagnetischer Träger 13 ausgeprägte Pole 14 besitzt, welche gegenüberliegend zu den Permanentmagneten 07 angeordnet sind. Die Träger 06, 13 bilden das Primärteil. Außerdem weisen die dargestellten Beispiele jeweils eine dem Primärteil zugeordnete Erregerwicklung 15 auf, deren Eingangsspannung als Regelgröße dient, um den Magnetfluss und damit die Ausgangsspannung am Generator zu regeln. Der Manetfluss der Erregerwicklung 15 überlagert den magnetischen Fluss Φ des Primärteils und verändert den Nutzfluss, welcher für die Spannungsinduktion verantwortlich ist.
Die Erregerwicklung 15 ist bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform auf dem Spulenträger 01 , und bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel zwi- sehen den ferromagnetischen Trägern 06, 13 (mit dem Außenring 09 verbunden) angeordnet.
In der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform trägt der Spulenträger 01 die zweireihige Schleifenwicklung 03, während bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform die einreihige Schleifenwicklung 02 vorgesehen ist.
Der Elektronik-Baustein 12 ist bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform auf dem zweiten ferromagnetischen Träger 13 angeordnet. In diesem Fall sind Schleifbürsten 16 vorgesehen, um eine Kommutierung zu ermöglichen.
Bei den in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen ist der mit den Permanentmagneten 07 bestückte ferromagnetische Träger 06 drehfest mit dem Innenring 08 verbunden und zwischen zwei Spulenträgern 01 angeordnet. In diesem Fall sind die beiden Spulenträger 01 , die das Sekundärteil bilden, aus einem ferromagnetischen Material um den magnetischen Fluss entsprechend zu leiten. Die eigentlichen Spulen in Multilayertechnologie sind dann auf die ferromagnetischen Träger aufgebracht (z.B. geklebt).
Die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 7 und 8 unterscheiden sich darin, dass gemäß Fig. 7 der Spulenträger 01 die zweireihige Schleifenwicklung 03 und gemäß Fig. 8 die einreihige Schleifenwicklung 02 trägt.
Die in den Figuren dargestellten Möglichkeiten der Anordnung von Primärteil und Sekundärteil sind miteinander kombinierbar. Der Spulenträger 01 kann eine den Erfordernissen entsprechende Ankerwicklung tragen, die auch anders als in Fig. 1 dargestellt, ausgeführt sein kann. Es ist ebenso möglich, die drehfeste Anordnung von Primärteil und Sekundärteil in den Lagerteilen zu vertauschen und den Eisenrückschluss über den Innenring zu führen. Damit ist die elektrische Maschine einfach und preiswert für verschiedene gängige Lagertypen herstellbar und in diese integrierbar.
Bezugszeichenliste
01 - Spulenträger
02 - einreihige Schleifenwicklung
03 - zweireihige Schleifenwicklung
04 - Wellenwicklung
05-
06 - Träger
07 - Permanentmagnet
08- Innenring
09 - Außenring
10-
11 - Dichtlippe
12- Elektronik-Baustein
13 - Träger, zweiter
14- Pol
15- Erregerwicklung
16- Schleifbürste

Claims

Patentansprüche
1 . Wälzlager mit einem Innenring (08) und einem Außenring (09) als Lagerteile, umfassend eine permanenterregte elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine mindestens ein scheibenförmiges Primärteil und ein scheibenförmiges Sekundärteil aufweist, von denen eines mit dem Innenring (08) und das andere mit dem Außenring (09) drehfest verbunden ist, wobei das Primärteil in Umfangs- richtung mit abwechselnder Polarität angeordnete Permanentmagnete (07) aufweist und wobei das Sekundärteil mindestens eine erste eisen- lose Ankerwicklung aufweist, die in einem Luftspalt eines durch das Primärteil und einen Eisenrückschluss gebildeten Magnetkreis angeordnet ist.
2. Wälzlager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung eine Flächenwicklung (02, 03, 04) ist.
3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil einen ersten und einen zweiten scheibenförmigen ferromagne- tischen Träger (06, 13) umfasst, zwischen denen das Sekundärteil in paralleler Ausrichtung der Scheiben angeordnet ist.
4. Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Perma- nentmagneten (07) auf dem ersten Träger (06) oder auf dem zweiten Träger (13) angeordnet sind, während der jeweils andere Träger (13, 06) ausgeprägte Pole (14) gegenüberliegend zu den Permanentmagneten (07) besitzt.
5. Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (07) auf beiden Trägern (06), gegenüberliegend und in Umfangsrichtung mit wechselnder Polarität, angeordnet sind.
6. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil durch einen ein- oder mehrschichtigen Spulenträger (01 ) gebildet ist, auf dem die Ankerwicklung als Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung ausgeführt ist.
7. Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung mehrschichtig aufgebaut ist.
8. Wälzlager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen als fortlaufende Wellenwicklung (04) oder Schleifenwicklung (02, 03) ausgeführt sind.
9. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil und/oder das Sekundärteil eine Dichtlippe (1 1 ) zur Abdichtung gegenüber demjenigen Lagerteil aufweisen, welches gegenüber Primärteil bzw. Sekundärteil drehbeweglich ist.
10. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin ein Speichermittel zur Speicherung der von der elektrischen Maschine erzeugten Energie umfasst.
1 1 . Wälzlager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermittel eine Batterie/Akkumulator, eine Spule oder ein Kondensator oder eine Kombination daraus ist.
12. Wälzlager nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermittel im Sekundärteil integriert ist.
13. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil eine zweite, in Umfangsrichtung versetzte Flächenwicklung zur Erfassung der Drehrichtung umfasst.
14. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeich- net, dass das Sekundärteil mit dem Innenring (08) und das Primärteil mit dem Außenring (09) drehfest verbunden ist.
15. Verwendung eines permanenterregten Scheibenläufer-Generators mit einem scheibenförmigen Anker in einem Wälzlager, wobei eine Ankerwicklung des Generators als Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung ausgeführt und im Luftspalt eines Magnetkreises angeordnet ist, der durch einen ferromagnetischen Träger mit darauf in abwechselnder Polarität angeordneten Permanentmagneten und einen Eisenrückschluss über den Innenring oder den Außenring gebildet wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023189278A1 (ja) * 2022-03-30 2023-10-05 Ntn株式会社 軸受装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0397309A2 (de) 1989-05-12 1990-11-14 The Timken Company Lagervorrichtung
EP0402240A1 (de) 1989-06-08 1990-12-12 R.K.S. Drehkranz mit integriertem Motor
DE3918166A1 (de) * 1989-06-03 1990-12-13 Gerd Schlueter Stromversorgungseinrichtung fuer fahrraeder oder dergleichen
US5294853A (en) * 1990-04-10 1994-03-15 Norman Schlomka Electrical powerplant for vehicles
DE69524014T2 (de) 1994-09-12 2002-07-04 Timken Co Wälzlager mit eingebautem elektrischen Generator
US20020153785A1 (en) * 2001-04-18 2002-10-24 Nsk Ltd. Rolling bearing with built-in motor
WO2008014766A1 (de) 2006-08-01 2008-02-07 Schaeffler Kg Vorrichtung zur überwachung mindestens einer betriebsgrösse eines radsatzlagers

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0397309A2 (de) 1989-05-12 1990-11-14 The Timken Company Lagervorrichtung
DE3918166A1 (de) * 1989-06-03 1990-12-13 Gerd Schlueter Stromversorgungseinrichtung fuer fahrraeder oder dergleichen
DE3918166C2 (de) 1989-06-03 1993-06-09 Gerd 2300 Kiel De Schlueter
EP0402240A1 (de) 1989-06-08 1990-12-12 R.K.S. Drehkranz mit integriertem Motor
US5294853A (en) * 1990-04-10 1994-03-15 Norman Schlomka Electrical powerplant for vehicles
DE69524014T2 (de) 1994-09-12 2002-07-04 Timken Co Wälzlager mit eingebautem elektrischen Generator
US20020153785A1 (en) * 2001-04-18 2002-10-24 Nsk Ltd. Rolling bearing with built-in motor
WO2008014766A1 (de) 2006-08-01 2008-02-07 Schaeffler Kg Vorrichtung zur überwachung mindestens einer betriebsgrösse eines radsatzlagers

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023189278A1 (ja) * 2022-03-30 2023-10-05 Ntn株式会社 軸受装置

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