WO2018177461A1 - Wälzlager mit integrierter stromableitfunktion - Google Patents

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WO2018177461A1
WO2018177461A1 PCT/DE2018/100204 DE2018100204W WO2018177461A1 WO 2018177461 A1 WO2018177461 A1 WO 2018177461A1 DE 2018100204 W DE2018100204 W DE 2018100204W WO 2018177461 A1 WO2018177461 A1 WO 2018177461A1
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carbon fibers
bearing
rolling bearing
carrier element
carbon fiber
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PCT/DE2018/100204
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Inventor
Horst Hartmann
Michael Oliver Kobes
Alexander Schamin
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/16—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields
    • H02K5/173—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C33/7876—Sealings of ball or roller bearings with a diaphragm, disc, or ring, with or without resilient members mounted with a cylindrical portion to the inner surface of the outer race and having a radial portion extending inward with a single sealing ring of generally L-shaped cross-section with sealing lips
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    • F16C2380/00—Electrical apparatus
    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Definitions

  • the invention relates to a roller bearing with an integrated Stromableitungsfunktion according to the preamble of the independent claim.
  • Rotary shafts for example of turbines, electric motors, or other shafts are known from the prior art, which are electrically conductively connected to components to which an electrical voltage is induced or in which an electrical voltage can build up during operation.
  • Such a structure of an electrical voltage is known in particular in a drive shaft of an AC electric motor, whereby high voltages between an electrically charged component and another component may arise.
  • the electric motor While the electric motor is in operation, the electrical resistance in the bearings increases, resulting in a charge on the surface of the rotating shaft. In this case, high voltage differences can occur, which discharge on an electrical path with the lowest resistance. This discharge can lead to an electric spark, which causes a spark erosive material removal on a surface. If the electrical path with the lowest electrical resistance passes through the rolling bearing, damage to the surface of the rolling elements or to the raceways of the rolling elements can occur, which can lead to damage to the rolling bearing and to premature failure of the rolling bearing ,
  • a sealing arrangement which is arranged on a first machine component, for example a housing and which has a sliding contact on a second machine component, for example a shaft, wherein at least one sealing lip of the sealing arrangement on the second machine component is applied.
  • the sealing arrangement has a contact element which is electrically conductive and thus enables potential equalization between the first machine component and the second machine component.
  • DE 10 2014 1 12 561 A1 discloses a rolling bearing with an electrical bypass for the rolling elements, in which an electrically conductive foil is arranged on at least one side of the rolling bearing, which is in electrically conductive connection as a current bridge with the outer ring and the inner ring.
  • the film forms a roller body bypassing electrical current path for discharging an electrical current occurring between the outer ring and the inner ring.
  • a rolling bearing with integrated shunt which is provided with a protection against damage by electrical discharge.
  • a protective shield is provided between the inner ring and the outer ring of the rolling bearing, which extends radially between the inner ring and the outer ring, wherein the shield has a body part and at least one electrically conductive seal, wherein projecting from the body electrically conductive fibers, which at one of the Bearing rings.
  • a disadvantage of the known solutions is that either wear on the copper brushes occurs, whereby the life of the rolling bearing is reduced or a replacement of the copper brushes is necessary, or in a solution with single thin carbon fibers the risk of breaking the fibers or a Undefined position of the carbon fiber is given to the respective opposite rolling bearing ring or to the shaft.
  • the object of the invention is to propose a rolling bearing, which enables a substantially wear-free compensation of electrical potentials between an inner ring and an outer ring of the rolling bearing with the lowest possible frictional forces.
  • a rolling bearing for supporting a drive shaft in an electric motor which comprises an inner ring with a first raceway for a rolling element, an outer ring with a second raceway for a rolling element, and between the raceways of the bearing rings arranged rolling elements in which a carbon fiber composite component is fastened to one of the bearing rings, which component has a carrier element and carbon fibers embedded in the carrier element, and wherein the carbon fibers rest against the respective other bearing ring.
  • the carbon fibers in the carbon fiber composite component are combined as a fabric into at least one fiber bundle, wherein the carbon fibers protrude from the carrier element at an end portion of the carbon fiber composite component.
  • the carbon fiber composite component By the carbon fiber composite component, a lightweight and rigid component is integrated into the rolling bearing, which allows an electrical equipotential bonding between the two bearing rings of the bearing.
  • a carbon fiber composite component is comparatively low in wear even when the carbon fibers are rubbed against the bearing ring, so that no premature wear is to be expected in contrast to abrasive copper brushes. Due to the high bending stiffness in comparison to individual thin fibers, no lifting off of the carbon fibers from the bearing ring is to be expected, so that the carbon fibers always lie in a defined manner against the bearing ring.
  • the abutment region can be designed to be correspondingly soft and yielding, so that there is no increased wear on the carbon fibers or on the shaft.
  • the carbon fibers are combined in the carbon fiber composite component as a fabric, in particular in the form of a braided tube or a knitted structure, to form at least one fiber bundle.
  • a fabric in particular in the form of a braided tube or a knitted structure
  • a plurality of carbon fibers can be combined to form an electrically conductive carbon fiber bundle with high strength.
  • the composite elements are aligned in the radial or axial orientation and positioned so that an overlap to the inner or outer ring is to represent an electrically conductive sliding contact.
  • the carbon fibers emerge from an end face of the carrier element.
  • a manufacturing technology simple and therefore cost-effective solution is that the carbon fibers, especially the carbon fiber bundles, are not enclosed with a complete coverage when embedding in the support element, so that the carbon fibers protrude at one end over the carbon fiber composite component.
  • the flexible contact region can be formed, in which the carbon fibers abut against the shaft.
  • the carbon fiber composite component is constructed mat-shaped, wherein a mat of carbon fibers is embedded in each case in a position of the support element.
  • a mat-shaped structure By a mat-shaped structure, the component thickness of the carbon fiber composite component and thus the bending stiffness can be determined.
  • the strength of the carrier element is significantly increased by the carbon fiber mats.
  • several electrically conductive paths can be formed by the carbon fiber composite component, whereby multiple contact points on the bearing ring are possible. In this case, the plurality of contact points can provide redundancy, in order to still allow for example in a fraction of a carbon fiber bundle. Stromableitmaschine and the equipotential bonding between the bearing rings of the bearing.
  • the carrier element has a portion which is spaced from the adjacent to the other bearing ring carbon fibers, and forms a sealing gap between the support member and the bearing ring.
  • the carbon fiber composite component can be used in addition to the Stromableitfunktion to form a non-contact seal between the bearing rings and thus to prevent the ingress of dirt into the rolling bearing, in particular in the contact region of the carbon fibers with the bearing ring.
  • the section is designed substantially free of carbon fibers. If the portion of the carbon fiber composite member forming the seal gap is formed free of carbon fibers, it is more flexible compared to the rest of the carbon fiber composite member and can allow limited elastic deformation.
  • the carrier element has at least two carbon fiber bundles, wherein the first carbon fiber bundle rests against a first contact point of the bearing ring and the second carbon fiber bundle at a second contact point of the bearing ring.
  • the carrier element in which the carbon fibers are embedded, consists of a metallic sheet.
  • a carrier element made of an electrically conductive metal, in particular An aluminum or steel sheet offers the advantage that not only the carbon fibers, but also the carrier element itself conducts the current. This reduces the electrical resistance and further improves the function of equipotential bonding.
  • the carrier element in which the carbon fibers are embedded, consists of an electrically conductive plastic.
  • the carbon fibers can also be embedded in a carrier element made of a conductive plastic.
  • the carbon fiber composite component can be produced in a comparatively simple production process, which reduces the production costs.
  • the embedding of the carbon fibers in a non-conductive plastic, in particular in an epoxy resin is possible if it can be ensured that the carbon fibers are connected to both the inner ring and the outer ring of the rolling bearing. This makes the manufacturing process more expensive, but on the other hand makes it possible to electrically insulate the carbon fibers embedded in the carbon fiber composite component to the outside.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a rolling bearing according to the invention with an integrated Stromableitmaschine via a carbon fiber composite component.
  • a carbon fiber composite member having a braided structure in which the carbon fibers protrude beyond the end face of the support member.
  • a rolling bearing 1 for use on an electric motor, in particular for supporting a drive shaft of an electric drive motor, shown with an integrated Stromableitfunktion.
  • the rolling bearing 1 comprises an inner ring 2 and an outer ring 3, which are rotatable relative to each other.
  • respective raceways 13, 14 are formed on the inner ring 2 and the outer ring 3, in which rolling elements 4, in particular balls or rollers, are guided.
  • the inner ring 2 is supported by the drive shaft of the electric drive motor and is rotatably connected to this drive shaft.
  • the inner ring 2 can be pressed in particular onto the drive shaft.
  • the outer ring 3 is arranged in a housing of the electric motor and rotatably connected to this housing.
  • a carrier element 6 which comprises a carbon fiber composite component 5.
  • the carrier element 6 is preferably made of a metal or an electrically conductive plastic.
  • the carbon fiber composite component 5 comprises carbon fibers 8 which are embedded in the carrier element 6.
  • the carrier element 6 is preferably made of an electrically conductive plastic or a metal sheet, but may also consist of a non-conductive material, such as an electrically non-conductive epoxy resin, if the carbon fibers ensure electrical connection of the inner ring 2 to the outer ring 3.
  • the carbon fibers 8 protrude beyond the carrier element 6 and contact the inner ring 2 at at least one contact point 9, 17.
  • the carrier element 6 may have a portion 16 which is substantially free of carbon fibers and spaced from the contact points 9, 17 of the carbon fibers 8 with the inner ring 2.
  • the section 16 forms a sealing gap 12 between the carrier element 6 and the inner ring 2 in order to prevent penetration Dirt in the rolling bearing 1, in particular in the region of the contact points 9, 17 between the carbon fibers 8 and the inner ring 2, to prevent.
  • the carbon fibers 8 are preferably combined to form carbon fiber bundles 10, 11.
  • the carbon fiber composite component 5 comprises at least one layer of carbon fibers 8, which consists of a woven fabric, a braided hose or a knitted structure.
  • the composite elements are aligned in the radial or axial orientation and positioned so that an overlap to the inner ring 2 of the rolling bearing 1 is made. This results in a sliding contact of the carbon fibers 8 on the inner ring 2, whereby the carbon fiber composite component 5 a potential equalization between see the bearing rings 2, 3 of the rolling bearing 1 represents.
  • the carbon fiber composite component 5 can also be connected to the inner ring 2, wherein the carbon fibers 8 in this case have sliding contact with the outer ring 3, so that an electrical equipotential bonding between the bearing rings 2, 3 of the rolling bearing 1 is possible.
  • FIG. 2 shows a carbon fiber composite component 5 for a rolling bearing 1 according to the invention.
  • the carbon fibers 8 and the carrier element 6 are connected to one another in a braiding process, wherein the carbon fibers 8 protrude beyond an end face 15 of the carrier element 6 and thus can come into contact with a bearing ring 2.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1) zur Lagerung einer Antriebswelle in einem Elektromotor, umfassend: einen Innenring (2) mit einer ersten Laufbahn (13) für einen Wälzkörper (4), einen Außenring (3) mit einer zweiten Laufbahn (14) für einen Wälzkörper, sowie zwischen den Laufbahnen der Lagerringe angeordnete Wälzkörper, wobei an einem ersten der Lagerringe ein Kohlefaserverbundbauteil (5) befestigt ist, welches ein Trägerelement (6) und in das Trägerelement eingebettete Kohlenstofffasern (8) aufweist, wobei die Kohlenstofffasern an dem jeweils anderen Lagerring anliegen.

Description

Wälzlager mit integrierter Stromableitfunktion
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einer integrierten Stromableitungsfunktion gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Aus dem Stand der Technik sind rotierende Wellen, beispielsweise von Turbinen, Elektromotoren, oder anderen Wellen bekannt, welche elektrisch leitend mit Komponenten verbunden sind, an welche eine elektrische Spannung induziert wird oder bei denen sich im Betrieb eine elektrische Spannung aufbauen kann. Ein solcher Aufbau einer elektrischen Spannung ist insbesondere bei einer Antriebswelle eines elektrischen Wechselstrommotors bekannt, wodurch hohe Spannungen zwischen einem elektrisch aufgeladenen Bauteil und einem weiteren Bauteil entstehen können. Während der Elektromotor in Betrieb ist, erhöht sich der elektrische Widerstand in den Lagern, wodurch es zu einer Aufladung an der Oberfläche der rotierenden Welle kommt. Dabei können hohe Spannungsunterschiede auftreten, welche sich auf einem elektrischen Pfad mit dem geringsten Widerstand entladen. Bei dieser Entladung kann es zu einem elektrischen Funken kommen, welcher einen funkenerosiven Materialabtrag an einer Oberfläche bewirkt. Führt der elektrische Pfad mit dem geringsten elektrischen Widerstand durch das Wälzlager, kann es somit zu einer Beschädigung an der Ober- fläche der Wälzkörper oder an den Laufbahnen der Wälzkörper kommen, wodurch es zu einer Schädigung des Wälzlagers und zu einem vorzeitigen Ausfall des Wälzlagers kommen kann.
Um dies zu vermeiden, sind aus dem Stand der Technik rotierende Wellen von elektrischen Bauteilen bekannt, bei denen ein Potenzialausgleich beispielsweise mittels schleifender Kupferbürsten stattfindet. Aus der EP 1 755 207 A2 ist eine Baugruppe zur Lagerung und Abdichtung einer Welle bekannt, welche eine Bürsteneinheit mit elektrisch leitenden, dünnen Fasern aufweist. Durch solche elektrisch leitenden Fasern kann ein Potenzialausgleich zwischen dem Gehäuse und der Welle geschaf- fen werden, so dass der elektrische Pfad mit dem geringsten Widerstand nicht durch die Wälzkörper des Wälzlagers führt und somit die Gefahr einer Beschädigung und eines vorzeitigen Ausfalls verringert wird.
Aus der WO 2015/086096 A1 ist eine Dichtanordnung bekannt, welche an einem ers- ten Maschinenbauteil, beispielsweise einem Gehäuse angeordnet ist und welche einen schleifenden Kontakt an einem zweiten Maschinenbauteil, beispielsweise einer Welle hat, wobei zumindest eine Dichtlippe der Dichtanordnung an dem zweiten Maschinenbauteil anliegt. Zusätzlich weist die Dichtanordnung ein Kontaktelement auf, welches elektrisch leitfähig ist und somit einen Potenzialausgleich zwischen dem ers- ten Maschinenbauteil und dem zweiten Maschinenbauteil ermöglicht.
Die DE 10 2014 1 12 561 A1 offenbart ein Wälzlager mit einem elektrischen Bypass für die Wälzkörper, bei dem auf mindestens einer Seite des Wälzlagers eine elektrisch leitfähige Folie angeordnet ist, welche als Strombrücke mit dem Außenring und dem Innenring in elektrisch leitender Verbindung steht. Die Folie bildet einen die Wälzkörper umgehenden elektrischen Strompfad zur Ableitung eines zwischen dem Außenring und dem Innenring auftretenden elektrischen Stromes aus.
Aus der DE 10 2014 204 719 A1 ist ein Wälzlager mit integriertem Nebenschluss be- kannt, welches mit einem Schutz vor Beschädigung durch elektrische Entladung versehen ist. Dazu ist zwischen dem Innenring und dem Außenring des Wälzlagers ein Schutzschild vorgesehen, welches sich radial zwischen dem Innenring und dem Außenring erstreckt, wobei der Schutzschild ein Körperteil und mindestens eine stromleitende Dichtung aufweist, wobei aus dem Körper elektrisch leitende Fasern vorstehen, welche an einem der Lagerringe anliegen.
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass entweder ein Verschleiß an den Kupferbürsten auftritt, wodurch die Lebensdauer des Wälzlagers reduziert beziehungsweise ein Auswechseln der Kupferbürsten notwendig ist, oder bei einer Lösung mit einzelnen dünnen Kohlefasern die Gefahr eines Brechens der Fasern oder einer Undefinierten Position der Kohlefaser zum jeweils gegenüberliegenden Wälzlagerring bzw. zur Welle gegeben ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wälzlager vorzuschlagen, welches einen im Wesent- liehen verschleißfreien Ausgleich von elektrischen Potenzialen zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers bei möglichst geringen Reibungskräften ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Wälzlager zur Lagerung einer Antriebs- welle in einem Elektromotor gelöst, welches einen Innenring mit einer ersten Laufbahn für einen Wälzkörper, einen Außenring mit einer zweiten Laufbahn für einen Wälzkörper, sowie zwischen den Laufbahnen der Lagerringe angeordnete Wälzkörper um- fasst, wobei an einem der Lagerringe ein Kohlefaserverbundbauteil befestigt ist, welches ein Trägerelement und in das Trägerelement eingebettete Kohlenstofffasern aufweist, und wobei die Kohlenstofffasern an dem jeweils anderen Lagerring anliegen. Dabei sind die Kohlenstofffasern in dem Kohlefaserverbundbauteil als ein Gewebe zu mindestens einem Faserbündel zusammengefasst, wobei die Kohlenstofffasern an einem Endabschnitt des Kohlefaserverbundbauteils aus dem Trägerelement vorstehen.
Durch das Kohlefaserverbundbauteil wird ein leichtes und biegesteifes Bauteil in das Wälzlager integriert, welches einen elektrischen Potenzialausgleich zwischen den beiden Lagerringen des Wälzlagers ermöglicht. Zudem ist ein Kohlefaserverbundbauteil selbst bei schleifendem Anliegen der Kohlenstofffasern an dem Lagerring vergleichsweise verschleißarm, sodass im Gegensatz zu schleifenden Kupferbürsten keine vor- zeitige Abnutzung zu erwarten ist. Durch die im Vergleich zu einzelnen dünnen Fasern hohe Biegesteifigkeit ist zudem kein Abheben der Kohlefasern von dem Lagerring zu erwarten, sodass die Kohlefasern stets definiert an dem Lagerring anliegen. Durch ein Überstehen der Kohlenstofffasern über einen Endabschnitt des Trägerelements kann der Anlagebereich entsprechend weich und nachgebend gestaltet werden, sodass es weder an den Kohlenstofffasern noch an der Welle zu erhöhtem Verschleiß kommt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Wälzlagers möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kohlenstofffasern in dem Kohlefaserverbundbauteil als ein Gewebe, insbesondere in Form eines Flechtschlauchs oder einer gestrickten Struktur, zu mindestens einem Faserbündel zusammengefasst sind. Durch ein Gewebe, einen Flechtschlauch oder eine gestrickte Struktur können eine Vielzahl von Kohlenstofffasern zu einem elektrisch lei- tenden Kohlefaserbündel mit hoher Festigkeit zusammengefasst werden. Dabei sind die Verbundelemente in radialer oder axialer Orientierung ausgerichtet und so positioniert, dass eine Überdeckung zum Innen- oder Außenring besteht, um einen elektrisch leitenden Schleifkontakt darzustellen.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Kohlenstofffasern aus einer Stirnseite des Trägerelements austreten. Eine fertigungstechnisch einfache und damit kostengünstige Lösung besteht darin, dass die Kohlenstofffasern, insbesondere die Kohlefaserbündel, beim Einbetten in das Trägerelement nicht mit einer vollständigen Überdeckung eingefasst werden, sodass die Kohlenstofffasern an einer Stirnseite über das Kohlefaserverbundbauteil vorstehen. Somit kann auf vorteilhafte Weise der flexible Kontaktbereich ausgebildet werden, in dem die Kohlenstofffasern an der Welle anliegen.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kohlefaser- verbundbauteil mattenförmig aufgebaut ist, wobei eine Matte von Kohlenstofffasern jeweils in eine Lage des Trägerelements eingebettet ist. Durch einen mattenförmigen Aufbau kann die Bauteilstärke des Kohlefaserverbundbauteils und somit die Biegestei- figkeit festgelegt werden. Dabei wird durch die Kohlefasermatten die Festigkeit des Trägerelements deutlich erhöht. Durch das Einbetten mehrerer Kohlefasermatten können zudem mehrere elektrisch leitende Wege durch das Kohlefaserverbundbauteil ausgebildet werden, wodurch mehrere Kontaktstellen an dem Lagerring möglich sind. Dabei können die mehreren Kontaktstellen eine Redundanz schaffen, um beispielsweise bei einem Bruch eines Kohlefaserbündels immer noch die zu ermöglichen. Stromableitfunktion und den Potenzialausgleich zwischen den Lagerringen des Wälzlagers.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Trägerelement einen Abschnitt aufweist, welcher von den an dem jeweils anderen Lagerring anliegenden Kohlenstofffasern beabstandet ist, und einen Dichtspalt zwischen dem Trägerelement und dem Lagerring ausbildet. Dadurch kann das Kohlefaserver- bundbauteil zusätzlich neben der Stromableitfunktion dazu verwendet werden, um eine berührungslose Dichtung zwischen den Lagerringen auszubilden und somit das Eindringen von Schmutz in das Wälzlager, insbesondere in den Kontaktbereich der Kohlenstofffasern mit dem Lagerring, zu vermeiden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Abschnitt im Wesentlichen frei von Kohlenstofffasern ausgestaltet ist. Wird der Abschnitt des Kohlefaserverbundbauteils, welcher den Dichtspalt ausbildet, frei von Kohlenstofffasern ausgebildet, so ist dieser im Vergleich zum restlichen Kohlefaserverbundbauteil flexibler und kann eine begrenzte elastische Verformung zulassen.
In einer weiteren Verbesserung des Wälzlagers ist vorgesehen, dass das Trägerelement mindestens zwei Kohlefaserbündel aufweist, wobei das erste Kohlefaserbündel an einer ersten Kontaktstelle des Lagerrings und das zweite Kohlefaserbündel an einer zweiten Kontaktstelle des Lagerrings anliegt. Durch zwei oder mehr Kohlefaser- bündel, insbesondere durch zwei oder mehr Kohlefasermatten, können auf einfache Art und Weise zwei oder mehr elektrisch leitende Pfade zum Potenzialausgleich geschaffen werden.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Trä- gerelement, in dem die Kohlenstofffasern eingebettet sind, aus einem metallischen Blech besteht. Ein Trägerelement aus einem elektrisch leitenden Metall, insbesondere ein Aluminium- oder Stahlblech bietet den Vorteil, dass nicht nur die Kohlenstofffasern, sondern auch das Trägerelement selbst den Strom leitet. Dadurch wird der elektrische Widerstand reduziert und die Funktion des Potenzialausgleiches weiter verbessert.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Trägerelement, in dem die Kohlenstofffasern eingebettet sind, aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff besteht. Alternativ können die Kohlenstofffasern auch in ein Trägerelement aus einem leitenden Kunststoff eingebettet werden. Dabei kann das Kohlefaserverbundbauteil in einem ver- gleichsweise einfachen Fertigungsprozess hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten sinken.
Alternativ ist auch die Einbettung der Kohlenstofffasern in einem nichtleitenden Kunststoff, insbesondere in einem Epoxidharz, möglich, wenn sichergestellt werden kann, dass die Kohlenstofffasern sowohl mit dem Innenring und dem Außenring des Wälzlagers verbunden sind. Dies verteuert den Herstellungsprozess, ermöglicht andererseits jedoch, die in dem Kohlefaserverbundbauteil eingebetteten Kohlenstofffasern nach außen hin elektrisch zu isolieren.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel und den dazugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wälzlagers mit einer integrierten Stromableitfunktion über ein Kohlefaserverbundbauteil; ein Kohlefaserverbundbauteil mit einer geflochtenen Struktur, bei dem die Kohlenstofffasern über die Stirnseite des Trägerelements vorstehen.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 für den Einsatz an einem Elektromotor, insbesondere zur Lagerung einer Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors, mit einer integrierten Stromableitfunktion dargestellt. Das Wälzlager 1 umfasst einen Innenring 2 und einen Außenring 3, welche relativ zueinander verdrehbar sind. Dazu sind an dem Innenring 2 und dem Außenring 3 jeweils Laufbahnen 13, 14 ausgebildet, in welchen Wälzkörper 4, insbesondere Kugeln oder Rollen, geführt sind. Der Innenring 2 wird dabei von der Antriebswelle des elektrischen Antriebsmotors getragen und ist drehfest mit dieser Antriebswelle verbunden. Dazu kann der Innenring 2 insbesondere auf die Antriebswelle aufgepresst sein. Der Außenring 3 ist in einem Gehäuse des Elektromotors angeordnet und drehfest mit die- sem Gehäuse verbunden. An dem Außenring 3 des Wälzlagers 1 ist ein Trägerelement 6 angeordnet, welches ein Kohlefaserverbundbauteil 5 umfasst. Das Trägerelement 6 besteht vorzugsweise aus einem Metall oder einem elektrisch leitfähigen Kunststoff. Das Kohlefaserverbundbauteil 5 umfasst Kohlenstofffasern 8, welche in das Trägerelement 6 eingebettet sind. Dabei ist das Trägerelement 6 vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff oder einem metallischen Blech ausgeführt, kann aber auch aus einem nichtleitenden Werkstoff, beispielsweise einem elektrisch nichtleitenden Epoxidharz bestehen, wenn die Kohlenstofffasern eine elektrische Verbindung von dem Innenring 2 zu dem Außenring 3 sicherstellen. An einer dem Innenring 2 zugewandten Endabschnitt 7, insbesondere aus einer Stirnseite 15 des Kohle- faserverbundbauteils 5 ragen die Kohlenstofffasern 8 über das Trägerelement 6 hinaus und liegen an mindestens einer Kontaktstelle 9, 17 an dem Innenring 2 an. Zwischen dem Trägerelement 6 und dem Innenring 2 ist ein Spalt 12, sodass das Trägerelement 6 nicht in direktem Kontakt mit dem Innenring 2 steht. Insbesondere kann das Trägerelement 6 einen Abschnitt 16 aufweisen, welcher im Wesentlichen frei von Kohlenstofffasern ist und von den Kontaktstellen 9, 17 der Kohlenstofffasern 8 mit dem Innenring 2 beabstandet ist. Dabei bildet der Abschnitt 16 einen Dichtspalt 12 zwischen dem Trägerelement 6 und dem Innenring 2 aus, um ein Eindringen von Schmutz in das Wälzlager 1 , insbesondere in den Bereich der Kontaktstellen 9, 17 zwischen den Kohlenstofffasern 8 und dem Innenring 2, zu verhindern. Die Kohlenstofffasern 8 sind vorzugsweise zu Kohlefaserbündel 10, 1 1 zusammengefasst. Dabei umfasst das Kohlefaserverbundbauteil 5 mindestens eine Lage von Kohlenstofffasern 8, welche aus einem Gewebe, einem Flechtschlauch oder einer gestrickten Struktur besteht. Dabei sind die Verbundelemente in radialer oder axialer Orientierung ausgerichtet und so positioniert, dass eine Überdeckung zum Innenring 2 des Wälzlagers 1 besteht. Dadurch ergibt sich ein schleifender Kontakt der Kohlenstofffasern 8 an dem Innenring 2, wodurch das Kohlefaserverbundbauteil 5 einen Potenzialausgleich zwi- sehen den Lagerringen 2, 3 des Wälzlagers 1 darstellt.
Alternativ kann das Kohlefaserverbundbauteil 5 auch mit dem Innenring 2 verbunden sein, wobei die Kohlenstofffasern 8 in diesem Fall schleifenden Kontakt mit dem Außenring 3 haben, sodass ein elektrischer Potenzialausgleich zwischen den Lagerrin- gen 2, 3 des Wälzlagers 1 möglich ist.
Fig. 2 zeigt ein Kohlefaserverbundbauteil 5 für ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 . Dabei sind die Kohlenstofffasern 8 und das Trägerelement 6 in einem Flechtprozess miteinander verbunden, wobei die Kohlenstofffasern 8 über eine Stirnseite 15 des Trägerelements 6 vorstehen und somit mit einem Lagerring 2 in Kontakt treten können.
Bezuqszeichenliste
Wälzlager
Innenring
Außenring
Wälzkörper
Kohlefaserverbundbauteil
Trägerelement
Endabschnitt
Kohlenstofffasern
erste Kontaktstelle
erstes Kohlefaserbündel
zweites Kohlefaserbündel
Spalt
Laufbahn
Laufbahn
Stirnseite
Abschnitt
zweite Kontaktstelle

Claims

Patentansprüche
Wälzlager (1 ) zur Lagerung einer Antriebswelle in einem Elektromotor, umfassend:
- einen Innenring
(2) mit einer ersten Laufbahn (13) für einen Wälzkörper (4),
- einen Außenring (3) mit einer zweiten Laufbahn (14) für einen Wälzkörper
(4) , sowie
- zwischen den Laufbahnen (13, 14) der Lagerringe (2, 3) angeordnete Wälzkörper (4), wobei an einem ersten der Lagerringe (2, 3) ein Kohlefaserverbundbauteil
(5) befestigt ist, welches ein Trägerelement (6) und in das Trägerelement
(6) eingebettete Kohlenstofffasern (8) aufweist, wobei
- die Kohlenstofffasern (8) an dem jeweils anderen Lagerring (2,
3) anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Kohlenstofffasern (8) in dem Kohlefaserverbundbauteil (5) als ein Gewebe zu mindestens einem Faserbündel (10, 1 1 ) zusammengefasst sind, wobei
- die Kohlenstofffasern (8) an einem Endabschnitt (7) des Kohlefaserverbundbauteils (5) aus dem Trägerelement (6) vorstehen.
Wälzlager (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- das Gewebe als ein Flechtschlauch ausgebildet ist.
Wälzlager (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- das Gewebe als eine gestrickte Struktur ausgebildet ist.
4. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern (8) aus einer Stirnseite (15) des Trägerelements (6) austreten.
5. Wälzlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlefaserverbundbauteil (5) mattenförmig aufgebaut ist, wobei eine Matte von Kohlenstofffasern (8) jeweils in eine Lage des Trägerelements (6) eingebettet ist.
6. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (6) einen Abschnitt (16) aufweist, welcher von den an dem jeweils anderen Lagerring (2, 3) anliegenden Kohlenstofffasern (8) beabstandet ist, und einen Dichtspalt (12) zwischen dem Trägerelement (6) und dem Lagerring (2, 3) ausbildet.
7. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (16) im Wesentlichen frei von Kohlenstofffasern (8) ausgestaltet ist.
8. Wälzlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (6) mindestens zwei Kohlefaserbündel (10, 1 1 ) aufweist, wobei das erste Kohlefaserbündel (10) an einer ersten Kontaktstelle (9) des Lagerrings (2, 3) und das zweite Kohlefaserbündel (1 1 ) an einer zweiten Kontaktstelle (17) des Lagerrings (2, 3) anliegt.
9. Wälzlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (6), in dem die Kohlenstofffasern (8) eingebettet sind, aus einem metallischen Blech besteht. Wälzlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (6), in dem die Kohlenstofffasern (8) eingebettet sind, aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff besteht.
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