WO2012159792A1 - Lagereinheit zur lagerung einer welle an einem gehäuse und elektrodynamische maschine mit einer solchen lagereinheit - Google Patents

Lagereinheit zur lagerung einer welle an einem gehäuse und elektrodynamische maschine mit einer solchen lagereinheit Download PDF

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WO2012159792A1
WO2012159792A1 PCT/EP2012/054874 EP2012054874W WO2012159792A1 WO 2012159792 A1 WO2012159792 A1 WO 2012159792A1 EP 2012054874 W EP2012054874 W EP 2012054874W WO 2012159792 A1 WO2012159792 A1 WO 2012159792A1
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shaft
housing
bearing
coupling
bearing unit
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PCT/EP2012/054874
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Pedro CASALS IDE
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Zf Friedrichshafen Ag
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Definitions

  • Storage unit for supporting a shaft on a housing and electrodynamic
  • the invention relates to a bearing unit for movably supporting a shaft on a housing and to an electrodynamic machine having such a bearing unit.
  • bearing units for rotatable shaft bearing are used in electrodynamic machines, for example in electric motors or electric generators.
  • the active unit of the electrodynamic machine that is, the unit comprising the rotor and the stator
  • heat is generated during operation which, as a rule, is deliberately dissipated, but nevertheless can lead to heating of the various components of the electrodynamic machine.
  • the bearing units which serve to support the shaft carrying the rotor of the electrodynamic machine are also heated. Due to this possibly excessive heating or different degrees of heating between the inner and Au lubring, it may
  • An object of the invention is therefore to provide a bearing unit of the type described, which has a long service life even when heated.
  • the bearing unit according to the invention comprises a bearing component with a shaft bearing part which can be attached to the shaft and a housing bearing part which can be attached to the housing. Furthermore, it comprises a housing portion of the housing for mounting the housing bearing part.
  • the housing section has a coupling extension which, with the bearing component inserted, extends from the housing bearing part to the shaft bearing part, without mechanically directly contacting the shaft bearing part.
  • a coupling gap is present.
  • the mentioned bearing component may be, for example, a ball bearing or a roller bearing.
  • Other types of storage are also possible.
  • the shaft bearing part is in particular a first or inner bearing ring and the housing bearing part is a second or outer bearing ring.
  • the bearing component is in particular designed such that a movable bearing is provided on the housing. Usually this is a rotatable mounting. In principle, however, another type of storage, for example a longitudinally movable storage, is possible.
  • the coupling projection which is in particular integrally connected to the housing section, there is a targeted coupling and transmission of the heat energy in the environment, in particular within the shaft, into the housing, from where the heat energy can be transported further outwards.
  • the coupling extension represents a thermal bridging of the bearing component, so that the heat transfer from the shaft to be supported into the housing does not take place via the bearing component but at least in large part via this coupling extension. As a result, there is no longer too great a temperature gradient between the shaft bearing part and the housing bearing part. At least it is achieved that this negative effect on the bearing life, if at all, sets only to a significantly reduced extent.
  • Unfavorable mechanical stresses within the bearing component are largely suppressed, so that ultimately results in a higher bearing life.
  • At least part of the heat energy to be dissipated is passed over the coupling extension and thus past the components of the bearing component.
  • the heat input into the coupling extension via the coupling surface which is located at the shaft end facing the coupling extension and which is separated from the shaft by the coupling gap.
  • the coupling gap is preferably dimensioned in terms of the best possible heat coupling into the coupling surface. Due to the coupling extension, it is achieved that the shaft bearing part and the housing bearing part generally heat more uniformly, with the shaft bearing part, in particular, becoming less heated due to the additional heat coupling path via the coupling projection. As a result, a significantly lower temperature gradient occurs within the bearing component than in a design without such an additional thermal coupling path. Ideally, this gradient tends to zero. Thus, temperature-dependent mechanical stresses within the bearing component are largely eliminated.
  • the housing has a housing inner side and the coupling extension is arranged on the inside of the housing is favorable. This ensures that the heat coupling with the described thermal bridging of the bearing component takes place exactly on the side of the housing wall on which the dissipated thermal energy ent or pending.
  • the coupling surface encloses the shaft completely in the mounted state. This achieves a particularly good heat coupling into the coupling extension. The thermal bridging of the bearing component is then very efficient and the thermal relief of the components of the bearing component is very high.
  • the coupling extension has on its side forming the coupling surface on the side facing away from the shaft bearing part side a lateral projection.
  • the coupling surface then extends into the region of the projection.
  • the projection is in particular annular. It leads to an enlargement of the coupling surface and thus to a further improved coupling of the dissipated thermal energy.
  • the projection has a smaller radial extent than the rest of the coupling extension.
  • the term "radial” is understood to mean a direction perpendicular to the (center) longitudinal axis of the shaft .
  • This (center) longitudinal axis then forms the axis of rotation of the shaft in particular, in this embodiment the coupling extension has a stepped annular profile with an inner and a The inner ring component extends in the axial direction, ie in the direction of the (center) longitudinal axis of the shaft, farther away from the bearing component than the outer ring component
  • the projection provided in this embodiment, this embodiment of the coupling extension causes a very targeted heat conduction into the wall of the housing.
  • the coupling surface has an axial extension in the direction of a longitudinal axis of the shaft, which is at least as large as an axial extent of the bearing component.
  • this axial dimension a very good heat coupling is given in the coupling surface.
  • the achievable degree of heat input increases with the size and in particular the axial dimension of the coupling surface.
  • the coupling gap has a gap width of at least 1 mm, in particular of at least 0.1 mm. With these dimensions, a very good heat coupling into the coupling surface is achieved. Basically, the degree of achievable heat input increases with decreasing gap width, wherein a lower limit for the gap width is given by the fact that a mechanical contact between the coupling surface and the shaft should be excluded, taking into account the usual manufacturing tolerances as well as all conceivable operating conditions.
  • the coupling extension in the assembled state extends axially as far as a rotor of an electrodynamic machine arranged on the shaft without directly contacting the rotor mechanically.
  • a heat coupling does not take place in the coupling extension only over the shaft, but also over the rotor of the electrodynamic machine.
  • the active unit of the electrodynamic machine with, inter alia, the rotor is the actual source of the dissipated heat energy. Therefore, it is beneficial if heat energy is coupled directly from there into the coupling extension.
  • An immediate mechanical contacting of the rotor by the coupling extension is - as with the shaft - unfavorable, since otherwise could reduce the efficiency reducing braking effect.
  • the coupling gap is at least partially filled with a lubricant or coolant in the mounted state and during operation.
  • the lubricating or cooling agent may be, for example, an oil or other means suitable for transporting heat.
  • This lubricant or coolant can also be used for lubrication or cooling of the active unit of an electrodynamic machine, with which the shaft is connected.
  • a portion of the lubricant or coolant may also extend into the coupling gap between the shaft and the coupling extension.
  • the lubricant or coolant can contribute to improved heat transfer and / or coupling into the coupling surface of the coupling extension.
  • Another object of the invention is to provide an electrodynamic machine that has a long service life even when heated.
  • the electrodynamic machine comprises a shaft and a housing, wherein at least a part of the shaft is arranged in the housing. Furthermore, the electrodynamic machine comprises a bearing unit according to the basic design described above or one of its advantageous embodiments. In particular, the electrodynamic machine may include other components, such as a stator and a rotor.
  • the electrodynamic machine has substantially the same properties and advantages already mentioned above in connection with the Basic design of the storage unit and its advantageous embodiments have been described.
  • an embodiment of an here designed as an electric motor electrodynamic machine 1 is shown.
  • the electrodynamic machine 1 comprises an active unit with a rotor 2 and a stator 3, which are spaced apart by an air gap 4.
  • the rotor 2 and the stator 3 are magnetically coupled via the air gap during operation of the electrodynamic machine 1. They are designed in the usual way, details of which are not included in the figure for reasons of clarity.
  • the rotor 2 is fixedly mounted on a shaft 5, which is formed in the embodiment shown as a hollow shaft. In principle, other embodiments of the shaft 5, for example, a shaft made of solid material, conceivable.
  • the shaft 5 with the rotor 2 mounted thereon is rotatably mounted on a housing 6.
  • a storage unit 7 is provided.
  • the bearing unit 7 comprises in addition to the actual bearing component 8, which is designed in the embodiment as a ball bearing, and a housing portion 9 of the housing 6, which serves to receive the bearing component 8.
  • the bearing component 8 includes a plurality of trained in the embodiment as balls rolling elements 10 and an inner bearing ring 1 1 and an outer bearing ring 12.
  • the inner bearing ring 1 1 is fixedly mounted on the shaft 5. He forms accordingly a shaft bearing part.
  • the outer one Bearing ring 12 is firmly attached to the housing portion 9. He forms accordingly a housing bearing part.
  • the housing portion 9 comprises on the inside of the housing a coupling extension 13, which is integrally connected to the remaining wall of the housing 6.
  • the housing portion 9 includes a hollow cylindrical bearing seat 14 for receiving the outer bearing ring 12.
  • the bearing seat 14 also has an axial stop 15 which determines the axial position of the bearing component 8.
  • the axial stop 15 is formed by the coupling extension 13, viewed from a central longitudinal axis 16 of the shaft 5 in the radial direction above the bearing seat 14, d. H. from the central longitudinal axis 16 further away than the bearing seat 14, is integrally formed on the housing 6.
  • the central longitudinal axis 16 is also the axis of rotation of the shaft fifth
  • the coupling extension 13 essentially bridges the bearing component 8. It extends from the outer bearing ring 12 to the inner bearing ring 1 1. However, it contacts only the outer bearing ring 12, namely in particular on the stop 15. In contrast, there is no direct mechanical contact between the coupling extension 13 and the inner bearing ring 1 1 and the rolling elements 10. To preclude such unwanted contact, the coupling extension 13 is at height of the inner bearing ring 1 1 and on the bearing ring 1 1 side facing provided with a corresponding recess 17.
  • the coupling extension 13 has at its end facing the shaft 5, a coupling surface 18 which is configured annular in the embodiment shown and the shaft 5 completely encloses.
  • the shaft 5 and the coupling surface 18 are not in direct mechanical contact with each other. Rather, a coupling gap 19 is provided between the shaft 5 and the coupling surface 18.
  • a lateral annular projection 20 is formed on the coupling surface 18 forming the end of the coupling extension 13 on the side facing away from the bearing component 8 side, so the housing inner side facing side.
  • This projection 20 like the remaining part of the coupling extension 13, is connected in one piece with the housing 6. the.
  • the radial extent of the projection 20 is smaller than that of the rest of the coupling extension 13. This results in an overall stepped annular profile for the coupling extension 13th
  • the coupling projection 20 extends close to the rotor 2, but without contacting it mechanically.
  • There remains an axial distance 21 whose width w1 is in particular of the same order of magnitude as the gap width w2 of the air gap 4.
  • the width w1 has a value in the range between 0.5 times to 5 times the gap width w2.
  • the coupling gap 19 between the coupling surface 18 and the shaft 5 has in the illustrated embodiment, a gap width w3 in the range between 0.1 mm and 0.3 mm, preferably of 0.2 mm.
  • the coupling surface 18 has in the axial direction a longitudinal extent I in the range, for example, between 1.25 times and 1.75 times the axial extent of the bearing component 8.
  • the axial longitudinal extent I is greater than the corresponding dimension of the bearing component 8.
  • the two axial dimensions differ by approximately the factor 1, 5.
  • the coupling surface 18 is thus in particular larger than the likewise annular contact surface with which the inner bearing ring 1 1 sits on the shaft 5.
  • the coupling extension 13 represents a thermal bridging path for the bearing component 8.
  • the heat loss arising in the shaft 5 and / or in the rotor 2 and / or in the stator 3 is at least partially transmitted via the coupling surface 18 into the coupling extension 13 and from there into the Wall of the housing 6 coupled.
  • the proportion of the heat flow from the shaft 5 via the inner bearing ring 1 1, the rolling elements 10 and the outer bearing ring 12 in the housing 16 is at least considerably reduced.
  • the components of the bearing component 8 heat more uniformly and less strongly, if it comes to a warming.
  • the coupling gap 19 is filled with oil.
  • the latter comes, for example, from the then not (completely) sealed coolant or lubricant circuit of the active unit of the electrodynamic machine 1 comprising the rotor 2 and the stator 3. Due to the oil results in improved thermal coupling, so that the described thermal bridging of the bearing component 8 is made even more efficient.
  • the oil filling of the coupling gap 19 is only an advantageous, but by no means a compelling embodiment.

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Abstract

Die Lagereinheit (7) dient zur beweglichen Lagerung einer Welle (5) an einem Gehäuse (6). Sie umfasst eine Lagerkomponente (8) mit einem an der Welle (5) anbringbaren Wellenlagerteil (11) und einem an dem Gehäuse (6) anbringbaren Gehäuselagerteil (12), und einen Gehäuseabschnitt (9) des Gehäuses (6) zur Anbringung des Gehäuselagerteils (12). Der Gehäuseabschnitt (9) weist einen Kopplungsfortsatz (13) auf, der sich bei eingesetzter Lagerkomponente (8) ausgehend von dem Gehäuselagerteil (12) bis zu dem Wellenlagerteil (11) erstreckt, ohne das Wellenlagerteil (11) mechanisch unmittelbar zu kontaktieren, und der in einer Kopplungsfläche (18) endet. Im montierten Zustand ist zwischen der Kopplungsfläche (18) und der Welle (5) ein Kopplungsspalt (19) vorhanden.

Description

Laqereinheit zur Lagerung einer Welle an einem Gehäuse und elektrodynamische
Maschine mit einer solchen Lagereinheit
Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit zur beweglichen Lagerung einer Welle an einem Gehäuse sowie eine elektrodynamische Maschine mit einer solchen Lagereinheit.
Es sind bereits viele verschiedene Ausführungsformen von Lagereinheiten zur drehbeweglichen Wellenlagerung bekannt. Insbesondere werden solche Lagereinheiten bei elektrodynamischen Maschinen, beispielsweise bei elektrischen Motoren oder bei elektrischen Generatoren, verwendet. In der aktiven Einheit der elektrodynamischen Maschine, also der den Rotor und den Stator umfassenden Einheit, entsteht während des Betriebs Wärme, die in der Regel gezielt abgeführt wird, aber dennoch zu einer Erwärmung der verschiedenen Komponenten der elektrodynamischen Maschine führen kann. So ist es möglich, dass die Lagereinheiten, die zur Lagerung der den Rotor der elektrodynamischen Maschine tragenden Welle dienen, ebenfalls erwärmt werden. Aufgrund dieser gegebenenfalls zu starken Erwärmung bzw. unterschiedlich starken Erwärmung zwischen Innen- und Au ßenring, kann es zu
Ausfallerscheinungen oder zumindest zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Lager kommen.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Lagereinheit der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die auch bei Erwärmung eine hohe Lebensdauer aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Lagereinheit entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Die erfindungsgemäße Lagereinheit um- fasst eine Lagerkomponente mit einem an der Welle anbringbaren Wellenlagerteil und einem an dem Gehäuse anbringbaren Gehäuselagerteil. Weiterhin umfasst sie einen Gehäuseabschnitt des Gehäuses zur Anbringung des Gehäuselagerteils. Der Gehäuseabschnitt weist einen Kopplungsfortsatz auf, der sich bei eingesetzter Lagerkomponente ausgehend von dem Gehäuselagerteil bis zu dem Wellenlagerteil erstreckt, ohne das Wellenlagerteil mechanisch unmittelbar zu kontaktieren. Der Kopplungsfortsatz endet in einer Kopplungsfläche, wobei im montierten Zustand zwischen der Kopplungsfläche und der Welle ein Kopplungsspalt vorhanden ist.
Bei der angesprochenen Lagerkomponente kann es sich beispielsweise um ein Kugellager oder ein Wälzkörperlager handeln. Andere Lagertypen sind grundsätzlich ebenfalls möglich. Weiterhin ist das Wellenlagerteil insbesondere ein erster oder innerer Lagerring sowie das Gehäuselagerteil ein zweiter oder äußerer Lagerring. Die Lagerkomponente ist insbesondere so ausgestaltet, dass eine bewegliche Lagerung an dem Gehäuse gegeben ist. Meistens handelt es sich hierbei um eine drehbewegliche Lagerung. Grundsätzlich ist aber auch eine andere Lagerungsart, beispielsweise eine längsbewegliche Lagerung, möglich.
Mittels des insbesondere einstückig mit dem Gehäuseabschnitt verbundenen Kopplungsfortsatzes erfolgt eine gezielte Kopplung und Übertragung der in der Umgebung, insbesondere innerhalb der Welle anfallenden Wärmeenergie in das Gehäuse, von wo aus die Wärmeenergie weiter nach außen abtransportiert werden kann. Der Kopplungsfortsatz stellt eine thermische Überbrückung der Lagerkomponente dar, so dass der Wärmetransport von der zu lagernden Welle in das Gehäuse nicht über die Lagerkomponente, sondern zumindest zu großen Teilen über diesen Kopplungsfortsatz erfolgt. Dadurch kommt es zu keinem zu großen Temperaturgradient zwischen dem Wellenlagerteil und dem Gehäuselagerteil mehr. Zumindest wird erreicht, dass sich dieser für die Lagerlebensdauer negative Effekt, wenn überhaupt, nur noch in deutlich verringertem Umfang einstellt. Es werden ungünstige mechanische Spannungen innerhalb der Lagerkomponente weitestgehend unterdrückt, so dass letztendlich eine höhere Lagerlebensdauer resultiert. Zumindest ein Teil der abzuführenden Wärmeenergie wird über den Kopplungsfortsatz und damit an den Bestandteilen der Lagerkomponente vorbei geführt. Die Wärmeeinkopplung in den Kopplungsfortsatz erfolgt über die Kopplungsfläche, die sich am der Welle zugewandten Ende des Kopplungsfortsatzes befindet und die von der Welle durch den Kopplungsspalt getrennt ist. Der Kopplungsspalt ist dabei vorzugsweise im Hinblick auf eine möglichst gute Wärmeeinkopplung in die Kopplungsfläche dimensioniert. Aufgrund des Kopplungsfortsatzes wird erreicht, dass sich das Wellenlagerteil und das Gehäuselagerteil insgesamt gleichmäßiger erwärmen, wobei sich insbesondere das Wellenlagerteil aufgrund des zusätzlichen Wärmekopplungspfads über den Kopplungsfortsatz weniger stark erwärmt. Innerhalb der Lagerkomponente stellt sich so ein deutlich geringerer Temperaturgradient ein als bei einer Ausgestaltung ohne einen solchen zusätzlichen Wärmekopplungspfad. Im Idealfall tendiert dieser Gradient gegen Null. Damit werden temperaturabhängige mechanische Spannungen innerhalb der Lagerkomponente weitestgehend ausgeschaltet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Lagereinheit ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der das Gehäuse eine Gehäuseinnenseite aufweist und der Kopplungsfortsatz auf der Gehäuseinnenseite angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass die Wärmekopplung mit der beschriebenen thermischen Überbrückung der Lagerkomponente genau auf der Seite der Gehäusewand erfolgt, auf der die abzuführende thermische Energie ent- oder ansteht.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung umschließt die Kopplungsfläche die Welle im montierten Zustand vollständig. Dadurch erreicht man eine besonders gute Wärmeeinkopplung in den Kopplungsfortsatz. Die thermische Überbrückung der Lagerkomponente ist dann sehr effizient und die thermische Entlastung der Bestandteile der Lagerkomponente sehr hoch.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist der Kopplungsfortsatz an seinem die Kopplungsfläche bildenden Ende auf der von dem Wellenlagerteil abgewandten Seite einen seitlichen Vorsprung auf. Die Kopplungsfläche erstreckt sich dabei dann auch in den Bereich des Vorsprungs. Der Vorsprung ist insbesondere ringförmig ausgebildet. Er führt zu einer Vergrößerung der Kopplungsfläche und damit zu einer weiter verbesserten Einkopplung der abzuführenden thermischen Energie. Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist der Vorsprung eine geringere radiale Ausdehnung auf als der Rest des Kopplungsfortsatzes. Unter„radial" ist hierbei eine Richtung senkrecht zur (Mitten-)Längsachse der Welle zu verstehen. Diese (Mitten-)Längsachse bildet dann insbesondere zugleich die Drehachse der Welle. In dieser Ausgestaltung hat der Kopplungsfortsatz ein gestuftes ringförmiges Profil mit einem inneren und einem äußeren Ringbestandteil, die insbesondere einstückig miteinander und mit dem Gehäuse verbunden sind. Der innere Ringbestandteil erstreckt sich in axialer Richtung, also in Richtung der (Mitten-)Längsachse der Welle, weiter von der Lagerkomponente weg als der äußere Ringbestandteil. Der innere Ringbestandteil umfasst dabei insbesondere den bei dieser Ausgestaltung vorgesehenen Vorsprung. Diese Ausgestaltung des Kopplungsfortsatzes bewirkt eine sehr gezielte Wärmeleitung in die Wand des Gehäuses.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung hat die Kopplungsfläche eine axiale Ausdehnung in Richtung einer Längsachse der Welle, die mindestens so groß ist wie eine axiale Ausdehnung der Lagerkomponente. Mit dieser axialen Abmessung ist eine sehr gute Wärmeeinkopplung in die Kopplungsfläche gegeben. Grundsätzlich steigt der erzielbare Grad an Wärmeeinkopplung mit der Größe und insbesondere der axialen Abmessung der Kopplungsfläche.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung hat der Kopplungsspalt eine Spaltbreite von mindestens 1 mm, insbesondere von mindestens 0,1 mm. Mit diesen Abmessungen erreicht man eine sehr gute Wärmeeinkopplung in die Kopplungsfläche. Grundsätzlich steigt der Grad an erzielbarer Wärmeeinkopplung mit sinkender Spaltbreite, wobei eine Untergrenze für die Spaltbreite dadurch gegeben ist, dass ein mechanischer Kontakt zwischen der Kopplungsfläche und der Welle sowohl unter Berücksichtigung der üblichen Fertigungstoleranzen als auch bei allen denkbaren Betriebsbedingungen ausgeschlossen sein soll.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung reicht der Kopplungsfortsatz im montierten Zustand axial bis an einen auf der Welle angeordneten Rotor einer elektrodynamischen Maschine heran, ohne den Rotor mechanisch unmittelbar zu kontaktieren. Damit erfolgt eine Wärmeeinkopplung in den Kopplungsfortsatz nicht nur über die Welle, sondern auch über den Rotor der elektrodynamischen Maschine. Die aktive Einheit der elektrodynamischen Maschine mit unter anderem dem Rotor ist die eigentliche Quelle der abzuführenden Wärmeenergie. Deshalb ist es günstig, wenn Wärmeenergie direkt von dort in den Kopplungsfortsatz eingekoppelt wird. Eine unmittelbare mechanische Kontaktierung des Rotors durch den Kopplungsfortsatz ist - genau wie bei der Welle - ungünstig, da sich andernfalls eine den Wirkungsgrad vermindernde Bremswirkung einstellen könnte.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist im montierten Zustand und während des Betriebs der Kopplungsspalt zumindest teilweise mit einem Schmieroder Kühlmittel befüllt. Bei dem Schmier- oder Kühlmittel kann es sich beispielsweise um ein Öl oder auch um ein anderes Mittel, das sich zum Wärmetransport eignet, handeln. Dieses Schmier- oder Kühlmittel kann dabei auch zur Schmierung bzw. Kühlung der aktiven Einheit einer elektrodynamischen Maschine, mit der die Welle verbunden ist, dienen. Insbesondere, wenn die aktive Einheit der elektrodynamischen Maschine nicht abgedichtet ist, kann sich ein Teil des Schmier- oder Kühlmittels auch bis in den Kopplungsspalt zwischen der Welle und dem Kopplungsfortsatz ausbreiten. Dort kann das Schmier- oder Kühlmittel zu einer verbesserten Wärmeübertragung und/oder -einkopplung in die Kopplungsfläche des Kopplungsfortsatzes beitragen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektrodynamische Maschine anzugeben, die auch bei Erwärmung eine hohe Lebensdauer aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine elektrodynamische Maschine entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 10 angegeben. Die elektrodynamische Maschine umfasst eine Welle und ein Gehäuse, wobei zumindest ein Teil der Welle in dem Gehäuse angeordnet ist. Weiterhin umfasst die elektrodynamische Maschine eine Lagereinheit gemäß der vorstehend beschriebenen Grundausgestaltung oder einer deren vorteilhaften Ausgestaltungen. Insbesondere kann die elektrodynamische Maschine weitere Komponenten, wie zum Beispiel einen Stator und einen Rotor enthalten. Die elektrodynamische Maschine weist im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften und Vorteile auf, die vorstehend bereits im Zusammenhang mit der Grundausgestaltung der Lagereinheit und deren vorteilhaften Ausgestaltungen beschrieben worden sind.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der eine Figur umfassenden Zeichnung. In der einzigen Figur ist ein Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine mit einer thermisch überbrückten Lagereinheit in einer Ausschnittsdarstellung abgebildet.
Auch Einzelheiten des im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiels können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstandes sein.
In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel einer hier als Elektromotor ausgestalteten elektrodynamischen Maschine 1 gezeigt. Die elektrodynamische Maschine 1 umfasst eine aktive Einheit mit einem Rotor 2 und einem Stator 3, die durch einen Luftspalt 4 voneinander beabstandet sind. Der Rotor 2 und der Stator 3 sind während des Betriebs der elektrodynamischen Maschine 1 über den Luftspalt magnetisch gekoppelt. Sie sind in der üblichen Weise ausgestaltet, wobei Details hierzu aus Übersichtlichkeitsgründen in der Figur nicht mit eingetragen sind. Der Rotor 2 ist fest auf einer Welle 5 montiert, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Hohlwelle ausgebildet ist. Grundsätzlich sind auch andere Ausgestaltungen der Welle 5, beispielsweise eine Welle aus Vollmaterial, denkbar.
Die Welle 5 mit dem darauf montierten Rotor 2 ist drehbeweglich an einem Gehäuse 6 gelagert. Hierzu ist eine Lagereinheit 7 vorgesehen. Die Lagereinheit 7 umfasst neben der eigentlichen Lagerkomponente 8, die im Ausführungsbeispiel als Kugellager ausgeführt ist, auch einen Gehäuseabschnitt 9 des Gehäuses 6, der zur Aufnahme der Lagerkomponente 8 dient. Die Lagerkomponente 8 enthält mehrere im Ausführungsbeispiel als Kugeln ausgebildete Wälzkörper 10 sowie einen inneren Lagerring 1 1 und einen äußeren Lagerring 12. Der innere Lagerring 1 1 ist fest auf der Welle 5 angebracht. Er bildet dementsprechend ein Wellenlagerteil. Der äußere Lagerring 12 ist dagegen fest am Gehäuseabschnitt 9 angebracht. Er bildet dementsprechend ein Gehäuselagerteil.
Der Gehäuseabschnitt 9 umfasst auf der Gehäuseinnenseite einen Kopplungsfortsatz 13, der einstückig mit der übrigen Wand des Gehäuses 6 verbunden ist. Der Gehäuseabschnitt 9 enthält einen hohlzylindrischen Lagersitz 14 zur Aufnahme des äußeren Lagerrings 12. Der Lagersitz 14 hat auch einen axialen Anschlag 15, der die axiale Position der Lagerkomponente 8 bestimmt. Der axiale Anschlag 15 ist durch den Kopplungsfortsatz 13 gebildet, der von einer Mittenlängsachse 16 der Welle 5 aus betrachtet in radialer Richtung oberhalb des Lagersitzes 14, d. h. von der Mittenlängsachse 16 weiter entfernt als der Lagersitz 14, einstückig am Gehäuse 6 angeformt ist. Die Mittenlängsachse 16 ist auch die Drehachse der Welle 5.
Der Kopplungsfortsatz 13 überbrückt die Lagerkomponente 8 im Wesentlichen. Er erstreckt sich ausgehend von dem äußeren Lagerring 12 bis zu dem inneren Lagerring 1 1 . Allerdings kontaktiert er nur den äußeren Lagerring 12, nämlich insbesondere am Anschlag 15. Dagegen besteht kein unmittelbarer mechanischer Kontakt zwischen dem Kopplungsfortsatz 13 und dem inneren Lagerring 1 1 und auch den Wälzkörpern 10. Um einen derartigen unerwünschten Kontakt auszuschließen, ist der Kopplungsfortsatz 13 auf Höhe des inneren Lagerrings 1 1 und auf der dem Lagerring 1 1 zugewandten Seite mit einer dementsprechenden Aussparung 17 versehen.
Weiterhin hat der Kopplungsfortsatz 13 an seinem der Welle 5 zugewandten Ende eine Kopplungsfläche 18, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ringförmig ausgestaltet ist und die Welle 5 vollständig umschließt. Dabei stehen die Welle 5 und die Kopplungsfläche 18 nicht in unmittelbaren mechanischen Kontakt zueinander. Vielmehr ist zwischen der Welle 5 und der Kopplungsfläche 18 ein Kopplungsspalt 19 vorgesehen. Zur Vergrößerung der Kopplungsfläche 18 ist an dem die Kopplungsfläche 18 bildenden Ende des Kopplungsfortsatzes 13 auf der von der Lagerkomponente 8 abgewandten Seite, also der Gehäuseinnenseite zugewandten Seite, ein seitlicher ringförmiger Vorsprung 20 angeformt. Dieser Vorsprung 20 ist wie auch der übrige Teil des Kopplungsfortsatzes 13 einstückig mit dem Gehäuse 6 verbun- den. Die radiale Ausdehnung des Vorsprungs 20 ist kleiner als die des Rests des Kopplungsfortsatzes 13. Dadurch ergibt sich ein insgesamt gestuftes ringförmiges Profil für den Kopplungsfortsatz 13.
In axialer Richtung reicht der Kopplungsvorsprung 20 bis nahe an den Rotor 2 heran, ohne diesen jedoch mechanisch zu kontaktieren. Es bleibt ein axialer Abstand 21 , dessen Weite w1 insbesondere in der gleichen Größenordnung liegt wie die Spaltbreite w2 des Luftspalts 4. Vorzugsweise hat die Weite w1 einen Wert im Bereich zwischen dem 0,5-fachen bis zum 5-fachen der Spaltbreite w2. Der Kopplungsspalt 19 zwischen der Kopplungsfläche 18 und der Welle 5 hat bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Spaltbreite w3 im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,3 mm, vorzugsweise von 0,2 mm. Die Kopplungsfläche 18 hat in axialer Richtung eine Längsausdehnung I im Bereich beispielsweise zwischen dem 1 ,25-fachen und dem 1 ,75-fachen der axialen Ausdehnung der Lagerkomponente 8. Insbesondere ist die axiale Längsausdehnung I also größer als die entsprechende Abmessung der Lagerkomponente 8. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die beiden axialen Ausdehnungen um etwa den Faktor 1 ,5. Die Kopplungsfläche 18 ist also insbesondere größer als die ebenfalls ringförmige Kontaktfläche, mit der der innere Lagerring 1 1 auf der Welle 5 sitzt.
Der Kopplungsfortsatz 13 stellt einen thermischen Überbrückungspfad für die Lagerkomponente 8 dar. Die in der Welle 5 und/oder im Rotor 2 und/oder im Stator 3 entstehende Verlustwärme wird zumindest zu einem Teil über die Kopplungsfläche 18 in den Kopplungsfortsatz 13 und von dort in die Wand des Gehäuses 6 eingekoppelt. Dadurch wird der Anteil des Wärmeflusses von der Welle 5 über den inneren Lagerring 1 1 , die Wälzkörper 10 und den äußeren Lagerring 12 in das Gehäuse 16 zumindest erheblich reduziert. Dementsprechend erwärmen sich die Bestandteile der Lagerkomponente 8 einheitlicher und weniger stark, falls es doch zu einer Erwärmung kommt. Infolgedessen entstehen praktisch keine thermisch bedingten mechanischen Verspannungen innerhalb der Lagerkomponente, die ansonsten durch einen zu starken Temperaturgradienten hervorgerufen werden könnten. Aufgrund der thermischen Überbrückung der Lagerkomponente 8 mittels des Kopplungsfortsatzes 13 wird die Lebensdauer der Lagerkomponente 8 und damit auch die der elektrodynamischen Maschine 1 insgesamt verbessert.
Bei einer in der Figur nicht gezeigten alternativen Ausgestaltung ist der Kopplungsspalt 19 mit Öl befüllt. Letzteres stammt z.B. aus dem dann nicht (vollständig) abgedichteten Kühl- oder Schmiermittelkreislauf der durch den Rotor 2 und Stator 3 umfassenden aktiven Einheit der elektrodynamischen Maschine 1 . Aufgrund des Öls ergibt sich eine verbesserte Wärmekopplung, so dass die beschriebene thermische Überbrückung der Lagerkomponente 8 noch effizienter ausgestaltet ist. Die Ölbefül- lung des Kopplungsspalts 19 ist allerdings lediglich eine vorteilhafte, keinesfalls aber eine zwingende Ausgestaltung.
Bezuqszeichen
1 elektrodynamische Maschine
2 Rotor
3 Stator
4 Luftspalt
5 Welle
6 Gehäuse
7 Lagereinheit
8 Lagerkomponente
9 Gehäuseabschnitt
10 Wälzkörper
1 1 innerer Lagerring
12 äußerer Lagerring
13 Kopplungsfortsatz
14 Lagersitz
15 axialer Anschlag
16 Mittenlängsachse
17 Aussparung
18 Kopplungsfläche
19 Kopplungsspalt
20 Vorsprung
21 axialer Abstand w1 Weite des Abstands 21
w2 Spaltbreite des Luftspalts 4
w3 Spaltbreite des Kopplungsspalts 19
I axiale Längsausdehnung der Kopplungsfläche 18

Claims

Patentansprüche
1 . Lagereinheit zur beweglichen Lagerung einer Welle (5) an einem Gehäuse (6), umfassend eine Lagerkomponente (8) mit einem an der Welle (5) anbringbaren Wellenlagerteil (1 1 ) und einem an dem Gehäuse (6) anbringbaren Gehäuselagerteil (12), und einen Gehäuseabschnitt (9) des Gehäuses (6) zur Anbringung des Gehäuselagerteils (12), wobei der Gehäuseabschnitt (9) einen Kopplungsfortsatz (13) aufweist, der sich bei eingesetzter Lagerkomponente (8) ausgehend von dem Gehäuselagerteil (12) bis zu dem Wellenlagerteil (1 1 ) erstreckt, ohne das Wellenlagerteil (1 1 ) mechanisch unmittelbar zu kontaktieren, und der in einer Kopplungsfläche (18) endet, wobei im montierten Zustand zwischen der Kopplungsfläche (18) und der Welle (5) ein Kopplungsspalt (19) vorhanden ist.
2. Lagereinheit nach Anspruch 1 , bei der das Gehäuse (6) eine Gehäuseinnenseite aufweist und der Kopplungsfortsatz (13) auf der Gehäuseinnenseite angeordnet ist.
3. Lagereinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kopplungsfläche (18) im montierten Zustand die Welle (5) vollständig umschließt.
4. Lagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kopplungsfortsatz (13) an seinem die Kopplungsfläche (18) bildenden Ende auf der von dem Wellenlagerteil (1 1 ) abgewandten Seite einen seitlichen Vorsprung (20) aufweist, wobei sich die Kopplungsfläche (18) auch in den Bereich des Vorsprungs (20) erstreckt.
5. Lagereinheit nach Anspruch 4, bei der der Vorsprung (20) eine geringere radiale Ausdehnung aufweist als der Rest des Kopplungsfortsatzes (13).
6. Lagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kopplungsfläche (18) eine axiale Ausdehnung in Richtung einer Längsachse (16) der Welle (5) hat, die mindestens so groß ist wie eine axiale Ausdehnung der Lagerkomponente (8).
7. Lagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kopplungsspalt (19) eine Spaltbreite (w3) von mindestens 1 mm, insbesondere von mindestens 0,2 mm hat.
8. Lagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kopplungsfortsatz (13) im montierten Zustand axial bis an einen auf der Welle (5) angeordneten Rotor (2) einer elektrodynamischen Maschine (1 ) heranreicht, ohne den Rotor (2) mechanisch unmittelbar zu kontaktieren.
9. Lagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im montierten Zustand und während des Betriebs der Kopplungsspalt (19) zumindest teilweise mit einem Schmier- oder Kühlmittel befüllt ist.
10. Elektrodynamische Maschine mit einer Welle (5) und einem Gehäuse (6), wobei zumindest ein Teil der Welle (5) in dem Gehäuse (6) angeordnet ist, umfassend eine Lagereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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