WO2020015772A1 - Wälzlager und lageranordnung mit diesem - Google Patents

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WO2020015772A1
WO2020015772A1 PCT/DE2019/100514 DE2019100514W WO2020015772A1 WO 2020015772 A1 WO2020015772 A1 WO 2020015772A1 DE 2019100514 W DE2019100514 W DE 2019100514W WO 2020015772 A1 WO2020015772 A1 WO 2020015772A1
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bearing
sensor
rolling bearing
ring
rolling
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PCT/DE2019/100514
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Inventor
Alexander Schamin
Horst Hartmann
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
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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

Definitions

  • the present invention relates to a roller bearing, which is designed in particular as a high-speed bearing. Furthermore, the present invention relates to a bearing arrangement with the rolling bearing according to the invention.
  • the sensor unit comprises an encoder and a sensor body.
  • a rolling bearing with a rotation detection unit is known from EP 2 116 813 A1.
  • the rotation detection unit comprises a plurality of magnetic encoders which are arranged in a ring. Furthermore, the
  • the rotation detection unit also includes one
  • Phase difference detector and an angle calculator Phase difference detector and an angle calculator.
  • JP 2000266067 A shows a roller bearing with an inner and an outer bearing ring, a conductive element being arranged on one of the bearing rings and in contact with the other bearing ring.
  • the conductive element has a conductive, fine wire-like contact part at one end.
  • a current brush arrangement for a shaft is known from EP 1 755 207 B1, which is used to control the wave current, that is, to discharge static or other charges.
  • the current brush assembly includes an electrically conductive, circular channel and a plurality of fiber-like conductors made of carbon fibers, stainless steel or another electrically conductive material.
  • DE 10 2004 016 738 B3 shows a compensation circuit for compensating harmful bearing currents.
  • the compensation circuit comprises a capacitor with which a compensation or counter voltage can be generated.
  • the counter voltage is applied to the rotor or the shaft.
  • WO 2017/148586 A1 describes a shaft earthing ring which is used to discharge induced voltages or electrical charges in a roller bearing.
  • the shaft grounding ring has an annular housing made of electrically conductive material. The housing is in contact with a first machine element and is in electrical connection with at least one discharge element. A defined current passage is to be made possible by the shaft earthing ring in order to prevent damage to the bearing current.
  • High-speed bearings are preferably used in electrical machines or motors, particularly in electromobility. High accuracy requirements are placed on such high-speed bearings. A high level of noise minimization is required because they are exposed to high speeds in the electrical machines. The speed of electric motors is generally significantly higher than the speed of internal combustion engines.
  • the object of the present invention is to provide a roller bearing for the rotary mounting of machine elements
  • the object is achieved by a roller bearing according to the attached claim 1 and by a bearing arrangement according to the attached independent claim 10.
  • roller bearing according to the invention is used for the rotary mounting of a
  • the rolling bearing comprises a first bearing ring and a second bearing ring rotatable about it about a common axis.
  • the two bearing rings are arranged coaxially with one another.
  • Rolling elements are arranged radially between the two bearing rings.
  • the rolling bearing comprises a sensor unit Angular position detection as well as an electrical discharge element.
  • the sensor unit comprises a rotary encoder arranged on an axial side surface of the first bearing ring and at least one sensor opposite the rotary encoder.
  • the encoder preferably represents a material measure for the angle of rotation.
  • the sensor is arranged on the second bearing ring in a rotationally fixed manner.
  • the rotary encoder is arranged on the first bearing ring in a rotationally fixed manner.
  • the electrical discharge element is arranged between the two bearing rings and serves to discharge a parasitic electrical one
  • Potential difference is formed in particular by a shaft voltage, in particular by a shaft load occurring as a result of the rotation of a shaft mounted in the roller bearing.
  • the bearing currents preferably flow to ground via the respective bearing ring.
  • the electrical discharge element is preferably used to compensate and / or neutralize the parasitic electrical
  • the electrical discharge element preferably forms an electrically conductive one
  • the damaging currents generated in the roller bearing during operation of the roller bearing are derived or compensated for via the electrically conductive current path, so that damage to the roller bearing is avoided.
  • the diverting element is preferably designed such that the parasitic bearing current between the two bearing rings can be derived or compensated by means of capacitive negative feedback.
  • the capacitive negative feedback is formed contactlessly between the two bearing rings, the diverting element comprising at least one capacitor.
  • the at least one capacitor of the discharge element is preferably a
  • the capacitor preferably consists of two spaced disks.
  • the capacitor particularly preferably consists of two spaced apart Capacitor rings, a first capacitor ring being arranged on the first bearing ring and a second capacitor ring being arranged on the second bearing ring.
  • the discharge element preferably comprises two of the capacitors, a first of the capacitors being designed as an electrical coupling element and a second of the capacitors being designed as an electrical tapping element.
  • the capacitive negative feedback preferably comprises a compensation circuit for generating a
  • the discharge element is preferably an electrically conductive element for the galvanic connection of the two bearing rings.
  • the electrically conductive element is particularly preferably designed as a sliding contact element.
  • Sliding contact element is preferably arranged on one of the two bearing rings and comes to rest on the other of the two bearing rings.
  • the electrical discharge element is particularly preferred as a disk-shaped one
  • the disk shape is preferably arranged coaxially to the bearing rings.
  • the shape of the diverting element can preferably be adapted to the respective rolling bearing.
  • the electrically conductive element has electrically conductive fibers, for example carbon fibers, on its inner or outer circumference.
  • the electrically conductive element consists of carbon fibers which are woven together.
  • the electrically conductive element preferably consists of an electrically conductive fleece.
  • the electrically conductive element is provided with slots on the circumference in order to minimize the frictional contact. It is necessary to minimize the frictional contact in order to reduce the friction and the associated wear of the electrically conductive element, especially at high speeds to which the rolling bearing is exposed is.
  • the electrically conductive element is preferably formed from a plurality of contact elements which are arranged on a disk.
  • the electrically conductive element consists of a wear-resistant elastic plastic material or elastomer material, in which electrically conductive fillers, for example conductive carbon black, graphite, carbon nanotubes or carbon nanofibers, are introduced to improve the electrical conductivity.
  • Further components can preferably be integrated in the area of the diverter element.
  • the diverting element can preferably be arranged indirectly on a bearing ring, wherein a contact element is preferably arranged in contacting manner between the diverting element and the bearing ring.
  • the contact element preferably has at least partially an electrically conductive material.
  • the contact element can consist of a metal and be designed in a ring shape.
  • the contact element can be a sheet metal sleeve which has, for example, an electrically conductive coating.
  • the roller bearing is preferably designed as a high-speed bearing which can be used in electrical machines with high speeds.
  • the rotary encoder preferably comprises at least one north pole and one south pole for generating magnetic fields.
  • the encoder is preferred as one
  • Encoder disc formed. Depending on the application, the encoder has
  • the at least one sensor is preferably a magnetic field sensor.
  • the at least one sensor of the sensor unit is preferably a Hall sensor.
  • the rotary encoder and the at least one sensor are preferably axially spaced, so that the sensor detects the magnetic field of the rotary encoder.
  • an optical system for example a system with a laser, is preferably used for angular position detection.
  • an eddy current-based sensor is preferably used for angular position detection.
  • the at least one sensor is preferably arranged directly on the second bearing ring. In a preferred embodiment, the at least one sensor is arranged on an axial extension of the second bearing ring. The at least one sensor is preferably arranged indirectly on the second bearing ring, with, for example, a sheet metal carrier being fixed in a rotationally fixed manner to the second bearing ring and the at least one sensor being arranged on the sheet metal carrier.
  • the sheet metal support is preferably angled to prevent the sensor from rotating relative to the second bearing ring on which the sensor is arranged.
  • the rotary encoder is preferably attached to the first bearing ring in a rotationally fixed manner.
  • the second bearing ring is preferably designed as an outer ring and the first bearing ring is preferably designed as an inner ring.
  • the first bearing ring is preferably designed as an inner ring and the second bearing ring as an outer ring.
  • the roller bearing on the second bearing ring has a securing element for securing the sensor against rotation.
  • the securing element for securing against the rotation of the second bearing ring is preferably a roll pin which is arranged on the second bearing ring and secures the position of the second bearing ring. Alternatively, this is preferred
  • Securing element is an angled element, which is arranged axially on the second bearing ring and prevents rotation of the sensor relative to the second bearing ring in the axial direction.
  • the sheet carrier described above is particularly preferably the securing element designed as the angled element.
  • the deflecting element and the sensor unit are preferably arranged on different axial side surfaces of the rolling bearing. Alternatively, they are preferred Discharge element and the sensor unit on the same axial side surface of the
  • this has a functional element which is arranged on an axial side surface of the rolling bearing.
  • Functional element is designed so that it has both the properties and
  • the functional element preferably includes the rotary encoder for determining the angular position, which at the same time is designed to be electrically conductive in order to discharge parasitic currents.
  • the encoder thus forms the diverting element. Alternatively, this may be preferred
  • the rolling bearing has an increased accuracy of the sensor components, since they are secured against rotation and parasitic currents are dissipated. Another advantage is the smaller tolerance chain between the sensor and the encoder due to the integration, which has a positive effect on the sensor accuracy. Another advantage of the rolling bearing is that it is easy to assemble. The small space requirement has proven to be advantageous, with the space available in the roller bearing being able to be adapted and / or used to integrate the sensor unit and the electrically conductive element in the roller bearing. Another technical advantage is that an adjustment of the encoder and / or the sensor is not necessary.
  • roller bearing according to the invention replaces a conventional roller bearing and a rotor position sensor system for electrical machine control, for example a resolver and an external current discharge system.
  • the bearing arrangement according to the invention comprises the roller bearing described above, which is preferably in accordance with one or more of the preferred described Embodiments is executed.
  • the bearing arrangement also includes a
  • the bearing arrangement has one
  • the data processing unit can be designed as an ASIC or a chip with an integrated circuit.
  • Processed measurement signals are available to the data processing unit.
  • the data processing unit is preferably connected to the magnetic field sensor via an electrical line.
  • the data processing unit is preferably integrated in the sensor unit.
  • Figure 1 is a partial view of a cross section of a first embodiment of a rolling bearing according to the invention.
  • Fig. 2 is a partial view of a cross section of a second embodiment of the
  • Fig. 3 is a partial view of a cross section of a third embodiment of the
  • Fig. 4 is a partial view of a cross section of a fourth embodiment of the
  • Fig. 1 shows a partial view of a cross section of a first preferred
  • Embodiment of a rolling bearing 01 according to the invention which is used in particular as a high-speed bearing.
  • the rolling bearing 01 comprises an outer one
  • Bearing ring 02 and an inner bearing ring 03 rotatable about this.
  • the two bearing rings 02, 03 are arranged coaxially to one another and around a common one Axis (not shown) rotatable. Are between the two bearing rings 02, 03
  • Rolling elements 04 are arranged on which the bearing rings 02, 03 can roll.
  • the roller bearing 01 for angular position detection comprises a sensor unit 06, which consists of at least one angle sensor 07 and an encoder disk 08 opposite the angle sensor 07.
  • the recorded data are forwarded via an electrical line 09 to a data processing unit (not shown).
  • the outer bearing ring 02 has a first axial extension 11 and a second axial extension 12 all around on its two axial side surfaces.
  • the angle sensor 07 is fixed to the first axial extension 11 of the outer bearing ring 02 in a rotationally fixed manner.
  • the encoder disc 08 is angled and attached to the inner bearing ring 03 so that it cannot rotate
  • the measuring standard side of the encoder disk 08 and the angle sensor 07 are axially spaced apart and arranged in parallel.
  • the roller bearing 01 comprises a sliding contact element 13, which is used to discharge parasitic currents in the roller bearing 01.
  • the sliding contact element 13 is disc-shaped, non-rotatably attached to the second axial extent 12 of the outer bearing ring 02 and consists at least partially of an electrically conductive material.
  • the sliding contact element 13 bears indirectly against the inner bearing ring 03, for which purpose the sliding contact element 13 bears against a sheet metal sleeve 14 which is arranged on the inner bearing ring 03.
  • the sheet metal sleeve 14 preferably has an electrically conductive coating.
  • the sliding contact element 13 consists of an electrically conductive material, for example carbon nanotubes, and forms an electrically conductive path.
  • the angle sensor 07 is secured to the outer bearing ring 02 by a dowel pin 16, which is arranged on the outer circumference of the outer bearing ring 02, against rotation.
  • the rolling bearing 01 has two sealing rings 17, which protect a bearing interior 18 from environmental influences, such as water or dirt. The angular position can be detected by means of the roller bearing 01 and a parasitic current can be derived.
  • Fig. 2 shows a partial view of a cross section of a second preferred
  • the embodiment shown in FIG. 2 is initially the same as the embodiment shown in FIG. 1.
  • the outer bearing ring 02 of FIG. 2 has only one axial extent, namely the second axial one Extension 12 on which the disc-shaped sliding contact element 13 is arranged in a rotationally fixed manner.
  • the roller bearing 01 shown in FIG. 2 has a first sheet metal support 19.
  • the first sheet metal carrier 19 is annular and bears against the outer bearing ring 02, the first sheet metal carrier 19 being angled in the contact area in order to prevent the angle sensor 07 from rotating relative to the outer bearing ring 02
  • roller bearing 02 shown in FIG. 2 has no roll pin 16, since its function is not required.
  • the roller bearing 02 shown in FIG. 2 has no roll pin 16, since its function is not required.
  • Angle sensor 07 arranged non-rotatably.
  • Fig. 3 shows a partial view of a cross section of a third preferred
  • the embodiment shown in FIG. 3 is initially the same as the embodiments shown in FIGS. 1 and 2. In a departure from the embodiments shown in FIGS. 1 and 2, the one shown in FIGS. 1 and 2, the one shown in FIGS. 1 and 2, the one shown in FIGS. 1 and 2, the one shown in FIGS. 1 and 2, the one shown in FIGS. 1 and 2.
  • Embodiment no axial extensions on the outer bearing ring 02.
  • the embodiment shown in FIG. 3 has an axial one on the inner bearing ring 03
  • the encoder disk 08 is arranged on the axial extension 21 of the inner bearing ring 03.
  • the roller bearing 01 On an axial side surface of the outer bearing ring 02, the roller bearing 01 has a second sheet metal support 22, which is formed at right angles.
  • the second sheet metal carrier 22 is arranged on the opposite axial side of the first sheet metal carrier 19, that is to say on the axial side of the sliding contact element 13.
  • the sliding contact element 13 On the second sheet metal carrier 22, the sliding contact element 13 is arranged in a rotationally fixed manner, the
  • the sliding contact element 13 comes into contact with the sheet-metal sleeve 14 and thus forms an electrical path for current dissipation.
  • Fig. 4 shows a partial view of a cross section of a fourth preferred
  • the embodiment shown in FIG. 4 is initially the same as the embodiment shown in FIG. 3.
  • the embodiment shown in FIG. 4 has no axial extension on the bearing rings 02, 03.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager (01), welches einen ersten Lagerring (03) und einen zu diesem um eine gemeinsame Achse rotierbaren zweiten Lagerring (02) umfasst. Die beiden Lagerringe (02, 03) sind koaxial zueinander angeordnet. Weiterhin umfasst das Wälzlager (01) eine Sensoreinheit (06) zur Winkelpositionserfassung, welche einen auf einer axialen Seitenfläche des ersten Lagerrings (03) angeordneten Drehgeber (08) und mindestens einen dem Drehgeber (08) gegenüberliegenden Sensor (07) umfasst. Der Sensor (07) ist an dem zweiten Lagerring (02) angeordnet. Des Weiteren umfasst das Wälzlager (01 ) ein elektrisches Ableitelement (13), welches zwischen den beiden Lagerringen (02, 03) angeordnet ist, um parasitäre Ströme abzuleiten. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Lageranordnung mit dem erfindungsgemäßen Wälzlager (01 ) sowie mit einem Gehäuse und einer Welle, zwischen denen das Wälzlager (01 ) angeordnet ist.

Description

Wälzlager und Laqeranordnunq mit diesem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager, welches insbesondere als ein Hochdrehzahllager ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Lageranordnung mit dem erfindungsgemäßen Wälzlager.
Die DE 11 2013 006 421 T5 beschreibt ein Lager mit einer Sensoreinheit zur
Erfassung einer Winkelposition. Die Sensoreinheit umfasst einen Codierer und einen Sensorkörper.
Aus der EP 2 116 813 A1 ist ein Wälzlager mit einer Rotationsdetektionseinheit bekannt. Die Rotationsdetektionseinheit umfasst eine Vielzahl von magnetischen Encodern, welche ringförmig angeordnet sind. Weiterhin umfasst die
Rotationsdetektionseinheit eine Vielzahl magnetischer Sensoren zur Detektion magnetischer Felder und zur Bestimmung von Positionsinformationen der
magnetischen Encoder. Die Rotationsdetektionseinheit umfasst zudem einen
Phasendifferenzdetektor und einen Winkelrechner.
Die JP 2000266067 A zeigt ein Wälzlager mit einem inneren und einem äußeren Lagerring, wobei ein leitendes Element an einem der Lagerringe angeordnet ist und an dem anderen Lagerring kontaktierend anliegt. Zur Kontaktierung weist das leitende Element an seinem einen Ende einen leitenden, feinen drahtartigen Kontaktteil auf.
Aus der EP 1 755 207 B1 ist eine Strombürstenanordnung für eine Welle bekannt, die zur Wellenstromsteuerung, also zur Ableitung statischer oder anderer Ladungen, dient. Die Strombürstenanordnung umfasst einen elektrisch leitfähigen, kreisförmigen Kanal und eine Vielzahl von faserartigen Leitern, die aus Carbonfasern, rostfreiem Stahl oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material bestehen.
In der DE 10 2004 016 738 B3 wird eine Kompensationsschaltung zur Kompensation von schädlichen Lagerströmen gezeigt. Die Kompensationsschaltung umfasst einen Kondensator, mit dem eine Kompensations- bzw. Gegenspannung erzeugbar ist. Die Gegenspannung wird an den Rotor bzw. an die Welle angelegt. In der WO 2017/148586 A1 wird ein Wellenerdungsring beschrieben, welcher der Ableitung induzierter Spannungen bzw. elektrischer Ladungen in einem Wälzlager dient. Der Wellenerdungsring weist ein ringförmiges aus elektrisch leitendem Material bestehendes Gehäuse auf. Das Gehäuse liegt an einem ersten Maschinenelement leitend an und steht mit wenigstens einem Ableitelement in elektrischer Verbindung. Durch den Wellenerdungsring soll ein definierter Stromdurchgang ermöglicht werden, um Lagerstromschäden vorzubeugen.
Bei Elektromaschinen bzw. -motoren, insbesondere in der Elektromobilität, kommen bevorzugt Hochdrehzahllager zum Einsatz. An solche Hochdrehzahllager werden hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt. Eine hohe Geräuschminimierung ist erforderlich, da sie in den Elektromaschinen einer hohen Drehzahl ausgesetzt sind. Die Drehzahl von Elektromotoren ist im Allgemeinen deutlich höher als die Drehzahl von Verbrennungsmotoren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Wälzlager zur rotativen Lagerung von Maschinenelementen, zur
Winkelpositionserfassung und zur Stromableitung von parasitären Lagerströmen bereit zu stellen, welches einen geringen Bauraum benötigt, einfach montierbar und insbesondere als Hochdrehzahllager verwendbar ist. Zudem ist eine entsprechende Lageranordnung bereit zu stellen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Wälzlager gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Lageranordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße Wälzlager dient zur rotativen Lagerung eines
Maschinenelementes gegenüber einem anderen Maschinenelement. Das Wälzlager umfasst einen ersten Lagerring und einen zu diesem um eine gemeinsame Achse rotierbaren zweiten Lagerring. Die beiden Lagerringe sind koaxial zueinander angeordnet. Radial zwischen den beiden Lagerringen sind Wälzkörper angeordnet. Erfindungsgemäß umfasst das Wälzlager eine Sensoreinheit zur Winkelpositionserfassung sowie ein elektrisches Ableitelement. Die Sensoreinheit umfasst einen auf einer axialen Seitenfläche des ersten Lagerrings angeordneten Drehgeber und mindestens einen dem Drehgeber gegenüberliegenden Sensor. Der Drehgeber stellt bevorzugt eine Maßverkörperung für den Drehwinkel dar. Der Sensor ist an dem zweiten Lagerring drehfest angeordnet. Der Drehgeber ist drehfest an dem ersten Lagerring angeordnet. Das elektrische Ableitelement ist zwischen den beiden Lagerringen angeordnet und dient der Ableitung eines parasitären elektrischen
Lagerstromes. Der Lagerstrom entsteht aufgrund eines unerwünschten
Potenzialunterschiedes zwischen den beiden Lagerringen. Dieser
Potenzialunterschied ist insbesondere durch eine Wellenspannung gebildet, insbesondere durch eine infolge der Rotation einer im Wälzlager gelagerten Welle auftretenden Ladung der Welle. Vorzugsweise fließen die Lagerströme über den jeweiligen Lagerring nach Masse ab. Das elektrische Ableitelement ist bevorzugt zu einer Kompensation und/oder Neutralisation des parasitären elektrischen
Lagerstromes bzw. des Potenzialunterschiedes zwischen den beiden Lagerringen ausgebildet.
Vorzugsweise bildet das elektrische Ableitelement einen elektrisch leitfähigen
Strompfad für Gleich- und/oder Wechselstrom zwischen den beiden Lagerringen aus.
Über den elektrisch leitfähigen Strompfad werden die während des Betriebs des Wälzlagers erzeugten schädigende Ströme im Wälzlager abgeleitet bzw. kompensiert, sodass Schäden am Wälzlager vermieden werden.
In einer Ausführungsform ist das Ableitelement vorzugsweise so ausgebildet, dass mittels kapazitiver Gegenkopplung der parasitäre Lagerstrom zwischen den beiden Lagerringen ableitbar bzw. kompensierbar ist. Die kapazitive Gegenkopplung ist kontaktlos zwischen den beiden Lagerringen ausgebildet, wobei das Ableitelement mindestens einen Kondensator umfasst.
Der mindestens eine Kondensator des Ableitelementes ist bevorzugt ein
Plattenkondensator. Vorzugsweise besteht der Kondensator aus zwei beabstandeten Scheiben. Besonders bevorzugt besteht der Kondensator aus zwei beabstandeten Kondensatorringen, wobei ein erster Kondensatorring an dem ersten Lagerring und ein zweiter Kondensatorring an dem zweiten Lagerring angeordnet ist.
Das Ableitelement umfasst bevorzugt zwei der Kondensatoren, wobei ein erster der Kondensatoren als ein elektrisches Koppelelement und ein zweiter der Kondensatoren als ein elektrisches Abgreifelement ausgebildet ist. Die kapazitive Gegenkopplung umfasst bevorzugt eine Kompensationsschaltung zur Erzeugung einer
Kompensationsspannung, die über das Koppelelement direkt oder indirekt auf einen der beiden Lagerringe eingekoppelt wird, während über das Abgreifelement direkt oder indirekt eine Detektion einer den Lagerstrom verursachenden Spannung bzw. Potenzialunterschiedes stattfindet.
Alternativ bevorzugt ist das Ableitelement ein elektrisch leitfähiges Element zur galvanischen Verbindung der beiden Lagerringe. Besonders bevorzugt ist das elektrisch leitfähige Element als ein Schleifkontaktelement ausgebildet. Das
Schleifkontaktelement ist vorzugsweise an einem der beiden Lagerringe angeordnet und kommt an dem anderen der beiden Lagerringe zum Anliegen. Das elektrische Ableitelement ist besonders bevorzugt als ein scheibenförmiges
Schleifkontaktelement ausgebildet. Die Scheibenform ist bevorzugt koaxial zu den Lagerringen angeordnet.
Bevorzugt ist die Form des Ableitelements an das jeweilige Wälzlager anpassbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das elektrisch leitfähige Element an seinem inneren oder äußeren Umfang elektrisch leitfähige Fasern, beispielsweise Carbonfasern, auf. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform besteht das elektrisch leitfähige Element aus Carbonfasern, die miteinander verwebt sind.
Alternativ bevorzugt besteht das elektrisch leitfähige Element aus einem elektrisch leitfähigen Vlies. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Element umfänglich mit Schlitzen versehen, um den Reibkontakt zu minimieren. Es ist erforderlich, den Reibkontakt zu minimieren, um die Reibung und den damit einhergehenden Verschleiß des elektrisch leitfähigen Elements zu verringern, insbesondere bei hohen Drehzahlen, welchen das Wälzlager ausgesetzt ist. Alternativ bevorzugt ist das elektrisch leitfähige Element aus mehreren Kontaktelementen, die auf einer Scheibe angeordnet sind, gebildet. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform besteht das elektrisch leitfähige Element aus einem verschleißfesten elastischen Kunststoffmaterial oder Elastomermaterial, in welches zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit elektrisch leitfähige Füllstoffe, beispielsweise Leitruß, Graphit, Carbon-Nanotubes oder Carbon-Nanofasern, eingebracht sind.
Im Bereich des Ableitelements sind vorzugsweise weitere Bauteile integrierbar.
Das Ableitelement kann vorzugsweise mittelbar an einem Lagerring angeordnet sein, wobei bevorzugt ein Kontaktelement kontaktierend zwischen Ableitelement und Lagerring angeordnet ist. Das Kontaktelement weist bevorzugt zumindest teilweise ein elektrisch leitfähiges Material auf. Beispielsweise kann das Kontaktelement aus einem Metall bestehen und ringförmig ausgebildet sein. Das Kontaktelement kann eine Blechhülse sein, die beispielweise eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist.
Das Wälzlager ist bevorzugt als ein Hochdrehzahllager ausgebildet, welches in Elektromaschinen mit hohen Drehzahlen einsetzbar ist.
Der Drehgeber umfasst vorzugsweise mindestens einen Nord-Pol und einen Süd-Pol zur Erzeugung magnetischer Felder. Der Drehgeber ist bevorzugt als eine
Encoderscheibe ausgebildet. Je nach Anwendung weist der Drehgeber
unterschiedliche Polarisierungen und Magnetisierungen auf.
Bevorzugt ist der mindestens eine Sensor ein Magnetfeldsensor. Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor der Sensoreinheit ein Hall-Sensor. Der Drehgeber und der mindestens eine Sensor sind bevorzugt axial beabstandet, sodass der Sensor das Magnetfeld des Drehgebers erfasst.
Alternativ bevorzugt wird zur Winkelpositionserfassung ein optisches System, z.B. ein System mit einem Laser, verwendet. Alternativ bevorzugt wird zur Winkelpositionserfassung ein Sensor auf Wirbelstrombasis verwendet.
Der mindestens eine Sensor ist vorzugsweise unmittelbar an dem zweiten Lagerring angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Sensor an einer axialen Erstreckung des zweiten Lagerrings angeordnet. Bevorzugt ist der mindestens eine Sensor an dem zweiten Lagerring mittelbar angeordnet, wobei beispielsweise ein Blechträger an dem zweiten Lagerring drehfest befestigt ist und der mindestens eine Sensor an dem Blechträger angeordnet ist.
Der Blechträger ist vorzugsweise abgewinkelt ausgebildet, um das Verdrehen des Sensors gegenüber dem zweiten Lagerring, an dem der Sensor angeordnet ist, zu verhindern.
Der Drehgeber ist bevorzugt drehfest an dem ersten Lagerring befestigt.
Der zweite Lagerring ist bevorzugt als ein Außenring ausgebildet und der erste Lagerring ist bevorzugt als ein Innenring ausgebildet. Alternativ bevorzugt ist der erste Lagerring als ein Innenring und der zweite Lagerring als ein Außenring ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Wälzlager an dem zweiten Lagerring ein Sicherungselement zur Verdrehsicherung des Sensors auf.
Das Sicherungselement zur Sicherung gegen das Verdrehen des zweiten Lagerrings ist vorzugsweise ein Spannstift, welcher an dem zweiten Lagerring angeordnet ist und die Position des zweiten Lagerrings sichert. Alternativ bevorzugt ist das
Sicherungselement ein abgewinkeltes Element, welches axial am zweiten Lagerring angeordnet ist und das Verdrehen des Sensors gegenüber dem zweiten Lagerring in die axiale Richtung verhindert. Besonders bevorzugt ist der zuvor beschriebene Blechträger das als das abgewinkelte Element ausgebildete Sicherungselement.
Vorzugsweise sind das Ableitelement und die Sensoreinheit auf unterschiedlichen axialen Seitenflächen des Wälzlagers angeordnet. Alternativ bevorzugt sind das Ableitelement und die Sensoreinheit auf derselben axialen Seitenfläche des
Wälzlagers angeordnet.
In einer Ausführungsform des Wälzlagers weist dieses ein Funktionselement auf, welches an einer axialen Seitenfläche des Wälzlagers angeordnet ist. Das
Funktionselement ist so ausgebildet ist, dass es sowohl die Eigenschaften und
Funktionen des Ableitelements als auch der Sensoreinheit aufweist. Bevorzugt umfasst das Funktionselement den Drehgeber zur Winkelpositionsbestimmung, der gleichzeitig elektrisch leitfähig ausgebildet ist, um parasitäre Ströme abzuleiten. Somit bildet der Drehgeber das Ableitelement. Alternativ bevorzugt kann das
Funktionselement den Sensor sowie das Ableitelement ersetzen.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Wälzlagers ist, dass mit dem Wälzlager sowohl die Winkelposition zwischen den beiden Lagerringen erfassbar ist als auch
Stromdurchgänge durch die Lagerbauteile, insbesondere durch die Lagerringe verhindert werden. Mittels des Wälzlagers ist eine gezielte Stromableitung möglich. Das Wälzlager weist eine erhöhte Genauigkeit der Sensorkomponenten auf, da diese gegen Verdrehung gesichert sind und parasitäre Ströme abgeleitet werden. Ein weiterer Vorteil besteht in einer durch die Integration kleineren Toleranzkette zwischen dem Sensor und dem Drehgeber, was sich positiv auf die Sensorgenauigkeit auswirkt. Ein weiterer Vorteil des Wälzlagers ist, dass dieses einfach zu montieren ist. Der geringe Bauraumbedarf hat sich als vorteilhaft erwiesen, wobei vorhandener Bauraum im Wälzlager angepasst und/oder genutzt werden kann, um die Sensoreinheit und das elektrisch leitfähige Element im Wälzlager zu integrieren. Ein weiterer technischer Vorteil besteht darin, dass eine Justierung des Drehgebers und/oder des Sensors nicht erforderlich ist.
Durch das erfindungsgemäße Wälzlager werden ein herkömmliches Wälzlager sowie eine Rotorlagesensorik zur Elektromaschinensteuerung, beispielsweise ein Resolver sowie ein externes Stromableitsystem ersetzt.
Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst das zuvor beschriebene Wälzlager, welches bevorzugt gemäß einer oder mehrerer der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt ist. Weiterhin umfasst die Lageranordnung ein
Gehäuse und eine Welle, wobei einer der Lagerringe an dem Gehäuse angeordnet ist und der andere der Lagerringe drehfest an der Welle angeordnet ist.
Die Lageranordnung weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine
Datenverarbeitungseinheit auf. Die Datenverarbeitungseinheit kann als ein ASIC bzw. ein Chip mit einer integrierten Schaltung ausgebildet sein. Am Ausgang der
Datenverarbeitungseinheit stehen verarbeitete Messsignale zur Verfügung. Die Datenverarbeitungseinheit ist vorzugsweise über eine elektrische Leitung mit dem Magnetfeldsensor verbunden. Alternativ bevorzugt ist die Datenverarbeitungseinheit in die Sensoreinheit integriert.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Teilansicht eines Querschnittes einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagers;
Fig. 2 eine Teilansicht eines Querschnittes einer zweiten Ausführungsform des
Wälzlagers;
Fig. 3 eine Teilansicht eines Querschnittes einer dritten Ausführungsform des
Wälzlagers; und
Fig. 4 eine Teilansicht eines Querschnittes einer vierten Ausführungsform des
Wälzlagers.
Fig. 1 zeigt eine Teilansicht eines Querschnittes einer ersten bevorzugten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 01 , welches insbesondere als Hochdrehzahllager verwendet wird. Das Wälzlager 01 umfasst einen äußeren
Lagerring 02 und einen zu diesem rotierbaren inneren Lagerring 03. Die beiden Lagerringe 02, 03 sind koaxial zueinander angeordnet und um eine gemeinsame Achse (nicht gezeigt) rotierbar. Zwischen den beiden Lagerringen 02, 03 sind
Wälzkörper 04 angeordnet, auf denen die Lagerringe 02, 03 abrollen können.
Weiterhin umfasst das Wälzlager 01 zur Winkelpositionserfassung eine Sensoreinheit 06, die aus mindestens einem Winkelsensor 07 und einer dem Winkelsensor 07 gegenüberliegenden Encoderscheibe 08 besteht. Die erfassten Daten werden über eine elektrische Leitung 09 an eine Datenverarbeitungseinheit (nicht gezeigt) weitergeleitet. Der äußere Lagerring 02 weist umlaufend an seinen beiden axialen Seitenflächen eine erste axiale Erstreckung 11 und eine zweite axiale Erstreckung 12 auf. Der Winkelsensor 07 ist an der ersten axialen Erstreckung 11 des äußeren Lagerrings 02 drehfest befestigt. Die Encoderscheibe 08 ist abgewinkelt ausgebildet und an dem inneren Lagerring 03 drehfest befestigt, sodass eine
Maßverkörperungsseite der Encoderscheibe 08 und der Winkelsensor 07 axial zueinander beabstandet sowie parallel angeordnet sind. Des Weiteren umfasst das Wälzlager 01 ein Schleifkontaktelement 13, welches dem Ableiten von parasitären Strömen im Wälzlager 01 dient. Das Schleifkontaktelement 13 ist scheibenförmig ausgebildet, drehfest an der zweiten axialen Erstreckung 12 des äußeren Lagerrings 02 befestigt und besteht zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material. Weiterhin liegt das Schleifkontaktelement 13 mittelbar an dem inneren Lagerring 03 an, wofür das Schleifkontaktelement 13 an einer Blechhülse 14, welche am inneren Lagerring 03 angeordnet ist, anliegt. Die Blechhülse 14 weist bevorzugt eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf. Das Schleifkontaktelement 13 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielweise Carbon-Nanotubes, und bildet einen elektrisch leitfähigen Pfad aus. Der Winkelsensor 07 ist mit dem äußeren Lagerring 02 durch einen Spannstift 16, welcher an dem äußeren Umfang des äußeren Lagerrings 02 angeordnet ist, gegen Verdrehen gesichert. Weiterhin weist das Wälzlager 01 zwei Dichtungsringe 17 auf, welche einen Lagerinnenraum 18 vor Umwelteinflüssen, wie Wasser oder Schmutz, schützen. Mittels des Wälzlagers 01 ist die Winkelposition erfassbar und ein parasitärer Strom ableitbar.
Fig. 2 zeigt eine Teilansicht eines Querschnittes einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform des Wälzlagers 01. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Abweichend zu Fig. 1 weist der äußere Lagerring 02 der Fig. 2 nur eine axiale Erstreckung, nämlich die zweite axiale Erstreckung 12 auf, an welcher das scheibenförmige Schleifkontaktelement 13 drehfest angeordnet ist. An der Stelle der ersten axialen Erstreckung 11 gemäß Fig. 1 weist das in Fig. 2 gezeigte Wälzlager 01 einen ersten Blechträger 19 auf. Der erste Blechträger 19 ist ringförmig ausgebildet und liegt am äußeren Lagerring 02 an, wobei der erste Blechträger 19 im Kontaktbereich abgewinkelt ausgebildet ist, um das Verdrehen des Winkelsensors 07 gegenüber dem äußeren Lagerring 02 zu
verhindern. Daher weist das in Fig. 2 gezeigte Wälzlager 02 keinen Spannstift 16 auf, da dessen Funktion nicht benötigt wird. An dem ersten Blechträger 19 ist der
Winkelsensor 07 drehfest angeordnet.
Fig. 3 zeigt eine Teilansicht eines Querschnittes einer dritten bevorzugten
Ausführungsform des Wälzlagers 01. Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform gleicht zunächst den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausführungsformen. Abweichend zu den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausführungsformen weist die in Fig. 3 gezeigte
Ausführungsform keine axiale Erstreckungen am äußeren Lagerring 02 auf. Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform weist am inneren Lagerring 03 eine axiale
Erstreckung 21 in Richtung der Sensoreinheit 06 auf. An der axialen Erstreckung 21 des inneren Lagerrings 03 ist die Encoderscheibe 08 angeordnet. Auf einer axialen Seitenfläche des äußeren Lagerringes 02 weist das Wälzlager 01 einen zweiten Blechträger 22 auf, welcher rechtwinklig ausgebildet ist. Der zweite Blechträger 22 ist auf der gegenüberliegenden axialen Seite des ersten Blechträgers 19, also auf der axialen Seite des Schleifkontaktelements 13, angeordnet. An dem zweiten Blechträger 22 ist das Schleifkontaktelement 13 drehfest angeordnet, wobei das
Schleifkontaktelement 13 schleifend an der Blechhülse 14 zum Anliegen kommt und somit einen elektrischen Pfad zur Stromableitung ausbildet.
Fig. 4 zeigt eine Teilansicht eines Querschnittes einer vierten bevorzugten
Ausführungsform des Wälzlagers 01. Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform. Abweichend zu der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform weist die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform keine axiale Erstreckung an den Lagerringen 02, 03 auf. Bezuqszeichenliste Wälzlager
äußerer Lagerring
innerer Lagerring
Wälzkörper
- Sensoreinheit
Winkelsensor
Encoderscheibe
elektrische Leitung erste axiale Erstreckung
zweite axiale Erstreckung
Schleifkontaktelement
Blechhülse
- Spannstift
Dichtungsring
Lagerinnenraum
erster Blechträger axiale Erstreckung
zweiter Blechträger

Claims

Patentansprüche
1. Wälzlager (01 ), umfassend:
einen ersten Lagerring (03) und einen zu diesem um eine gemeinsame Achse rotierbaren zweiten Lagerring (02), wobei die beiden Lagerringe (02, 03) koaxial zueinander angeordnet sind;
eine Sensoreinheit (06) zur Winkelpositionserfassung, umfassend einen auf einer axialen Seitenfläche des ersten Lagerrings (03) angeordneten Drehgeber (08) und mindestens einen dem Drehgeber (08)
gegenüberliegenden Sensor (07), wobei der Sensor (07) an dem zweiten Lagerring (02) angeordnet ist; und
ein elektrisches Ableitelement (13), welches zwischen den beiden Lagerringen (02; 03) angeordnet ist, um einen parasitären Lagerstrom abzuleiten.
2. Wälzlager (01 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (01 ) als ein Hochdrehzahllager ausgebildet ist.
3. Wälzlager (01 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sensoreinheit (06) und das Ableitelement (13) auf den gegenüberliegenden axialen Seitenflächen des Wälzlagers (01 ) angeordnet sind.
4. Wälzlager (01 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sensoreinheit (06) und das Ableitelement (13) auf derselben axialen
Seitenfläche des Wälzlagers (01 ) angeordnet sind.
5. Wälzlager (01 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sensoreinheit (06) und das Ableitelement (13) als eine Einheit ausgebildet sind, wofür der Drehgeber (06) gleichzeitig das Ableitelement (13) bildet.
6. Wälzlager (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableitelement (13) mindestens einen zwischen den beiden Lagerringen (02, 03) ausgebildeten Kondensator umfasst, welcher zur kapazitiven
Gegenkopplung der beiden Lagerringe (02, 03) dient.
7. Wälzlager (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableitelement (13) als ein elektrisch leitfähiges Element in Form eines Schleifkontaktelementes ausgebildet ist.
8. Wälzlager (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Sicherungselement (16; 19) zur Verdrehsicherung des Sensors (06) gegenüber dem zweiten Lagerring (02) aufweist, wobei das Sicherungselement ein Spannstift (16) oder ein abgewinkeltes Element (19) ist.
9. Wälzlager (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (07) ein Magnetfeldsensor und der Drehgeber (08) eine Encoderscheibe ist; oder dass der mindestens eine Sensor (07) ein induktiver Sensor und der Drehgeber (08) eine Spule oder ein ferromagnetisches Bauteil ist.
10. Lageranordnung; umfassend ein Wälzlager (01 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9; weiterhin umfassend ein Gehäuse und eine Welle, wobei einer der beiden Lagerringe (02; 03) an dem Gehäuse angeordnet ist und der andere der beiden Lagerringe (03; 02) drehfest an der Welle angeordnet ist.
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