WÄLZLAGER MIT EINER INTEGRIERTEN PERMANENTERREGTEN ELEKTRISCHEN MASCHINE

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einer integrierten permanenterregten elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines Scheibenläufer-Generators in einem Wälzlager.

Rotations-Wälzlager umfassen als gegeneinander bewegbare (rotierbare) Lagerteile einen Innenring und einen Außenring. In verschiedenen Lageranwendungen sind beispielsweise die Erfassung von Drehzahl und Drehrichtung, oder andere Überwachungsaufgaben des rotierenden Lagerteils erforderlich. Für diese und andere Aufgaben werden elektronische Komponenten (Sensoren, Aktoren, Prozessoren, Datenspeicher, ...) verwendet, denen Energie zugeführt werden muss. Aus dem Stand der Technik sind hierfür teilweise Lösungen bekannt.

Die WO 2008/014766 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung mindestens einer Betriebsgröße eines Radsatzlagers eines Schienenfahr- zeuges. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor und eine Sendeeinheit, die mit dem Lagerring rotierend am Ende der Radachse angeordnet sind, und eine Generatoreinheit mit einem mitrotierenden und einem drehfesten Generatorelement zur Energieversorgung von Sensor und Sendeeinheit. Das mit- rotierende Generatorelement ist ein am Ende der Radachse angeordnetes Wiegandelement, während das zweite kooperierende Generatorelement von ortsfest angeordneten Magneten gebildet ist. Diese Vorrichtung ist nicht direkt in das Lager integrierbar.

In der EP 0 397 309 A2 wird eine Lageranordnung beschrieben, bei der ein Drehzahlmesser integriert ist. Bei einem zweireihigen Wälzlager ist ein Polrad zwischen den beiden Wälzkörperreihen am rotierbaren Innenring montiert. Das Polrad ist an seinem Umfang durch einen Magnetring mit abwech- selnd angeordneten Polen der Magnete gebildet. Ein Hallsensor ist im Außenring in radialer Ausrichtung zum Polrad vorgesehen. Das Polrad kann auch aus einem ferromagnetischen Material mit ausgeprägten Polen (z.B. Zähnen) ausgeführt werden, dann ist ein Magnet in der Sensoranordnung erforderlich. Da der Sensor am feststehenden Lagerteil vorgesehen ist, ist dessen Energieversorgung unproblematisch.

Aus der DE 695 24 014 T2 ist ein Radlager eines Schienenfahrzeuges (zweireihiges Kegelrollenlager) mit einem integrierten Drehstromgenerator bekannt. Die durch den Generator erzeugte Energie wird in einer Batterie gespeichert. Der Generator ist im Ringraum zwischen den beiden Reihen der Kegelrollen angeordnet und umfasst einen Rotor, der mit dem Innenring und der Achse rotiert und einen Stator, der am Außenring ortsfest angeordnet ist. Der Rotor umfasst eine Reihe von Dauermagneten, die in gleichen Abständen auf dem Ringbereich zwischen den Kegelrollen in Umfangsrich- tung angeordnet sind. Die Pole der Dauermagneten sind radial angeordnet, und jeweils abwechselnd polarisiert um den Ring herum verteilt. Der Stator ist ein Blechpaket aus magnetischen Stahlfolien mit ausgeprägten Zähnen, die jeweils eine gewickelte Spule tragen. Die dreiphasige Statorwicklung ergibt sich durch eine Y-Verschaltung der Spulen.

Aus der EP 0 402 240 A1 ist ein Schräg-Zylinderrollenlager mit einem integrierten Motor bekannt. Der Rotor ist mit dem Innenring verbunden, der Stator mit dem Außenring. Der Motor benötigt einen großen axialen Bauraum.

Aus der DE 39 18 166 C2 ist die Verwendung eines permanenterregten Generators mit einem feststehenden scheibenförmigen Anker als Fahrrad- Dynamo bekannt. Der scheibenförmige Anker ist dabei auf der feststehenden Achse angeordnet, die Leiterbahnen sind auf dem Anker als dreiphasige Drehstromwicklung aufgebaut.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager mit einem integrier- ten Generator zu schaffen, der bei rotierendem Wälzlager ausreichend E- nergie für elektronische Komponenten, die im oder am Wälzlager angeordnet sind, bereit stellt. Dabei soll der axiale Bauraum im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagern möglichst nicht oder nur minimal vergrößert werden und eine preiswerte Herstellung möglich sein.

Die Aufgabe wird mit einem Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch die Verwendung eines Scheibenläufer-Generators in einem Wälzlager gemäß Anspruch 15 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Wälzlager umfasst zunächst in bekannter Weise als Lagerteile einen Innenring und einen Außenring, sowie eine permanenterregte elektrische Maschine. Die elektrische Maschine umfasst mindestens ein scheibenförmiges Primärteil und ein scheibenförmiges Sekundärteil, von denen eines mit dem Innenring und das andere mit dem Außenring drehfest verbunden ist, wobei das Primärteil in Umfangsrichtung mit abwechselnder Polarität angeordnete Permanentmagnete aufweist und wobei das Sekundärteil mindestens eine erste eisenlose Ankerwicklung aufweist, die in einem Luftspalt eines durch das Primärteil und einen Eisenrückschluss gebildeten Magnetkreises angeordnet ist.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Herstellung für alle gängigen Wälzlagertypen einfach und kostengünstig reali- sierbar ist. Der Generator ist extrem flach und lässt sich dadurch aufwandsarm in gängige Wälzlagertypen integrieren. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass die elektrische Maschine prinzipiell sowohl im Motorbetrieb, als auch im Generatorbetrieb arbeiten kann. Auch wenn in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich auf den Generatorbetrieb eingegangen wird, ist es von der Erfindung miterfasst, die elektrische Maschine als Antriebsmotor zu verwenden. Damit eröffnen sich weitere Anwendungsmöglichkeiten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ankerwicklung eine Flächenwicklung, die als gedruckte Leiterbahnen auf einer oder mehreren isolierten Schichten eines Spulenträgers aufgebracht und entsprechend verschaltet sind. Dabei kann die Verschaltung der Leiterbahnen zum Beispiel als dreiphasige Drehstromwicklung mit Gleichrichter- Schaltung in Stern- oder Dreieckschaltung verschaltet werden. Die elektrische Maschine ist in dieser Ausführungsform ein Scheibenläufer-Generator, wobei in der Ankerwicklung bei einer Rotation eines der Lagerteile eine Spannung induziert wird. Es spielt dabei keine Rolle, ob das Sekundärteil als Rotor oder als Stator ausgebildet ist, d.h. ob es mit dem rotierenden oder feststehenden Lagerteil verbunden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform, sind die Zwischenräume der Flächenwicklung mit einem dielektrischen magnetischen Material ausgefüllt, welches isoliert zu den Wicklungsleitern aufgebracht ist.

Dadurch erfolgt eine Verstärkung des Magnetflusses im Luftspalt. Die Flächenwicklung kann aber auch aus einem elektrisch und magnetisch leitenden Material hergestellt sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient die Spulenanordnung der Ankerwicklung gleichzeitig zur Erfassung der Drehzahl. Diese erfolgt durch eine Nullstellenbestimmung des ermittelten Flussverlaufes bzw. der induzierten Spannung. Die Nullstellen dienen als Winkelreferenzmarken, zwischen denen linear interpoliert oder iterativ die aktuelle Winkelposition berechnet wird.

Eine Drehrichtungserfassung ist in einer weiterten Ausführungsform der Erfindung möglich, durch die Ermittlung der Phasenverschiebung der induzierten Spannung zweier räumlich versetzter Spulenanordnungen. Dazu kann die Ankerwicklung zwei radial und in Umfangsrichtung zueinander versetzte Spulen umfassen. Die Werte des Flussverlaufes bzw. der induzierten Spannung werden für die Bestimmung der Drehrichtung in ein Rechtecksignal gewandelt und als A/B-Signalgeber verwendet. Über eine Flankenerkennung ist die Drehrichtung bestimmbar. Das Primärteil umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform einen ersten und einen zweiten scheibenförmigen ferromagnetischen Magnetträger, zwischen denen das Sekundärteil in paralleler Ausrichtung der Scheiben derart angeordnet ist, dass die Ankerwicklung im Luftspalt des magnetischen Kreises positioniert ist. In dieser Ausführungsform sind wiederum verschiedene Konfigurationen möglich: Die Permanentmagnete können auf einem oder auf beiden Trägern jeweils abwechselnd polarisiert angeordnet sein. Wenn die Permanentmagnete nur auf einem der beiden Träger angeordnet sind, ist der jeweils andere Magnetträger mit ausgeprägten Polen (Polschuhe, Zähne) auszuführen, um ein homogenes Magnetfeld im Luftspalt zu erreichen. Der magnetische Fluss wird durch die ferromagnetischen Träger geleitet, der magnetische Rückschluss kann über den Innenring oder den Außenring erfolgen. Diese Bauform gewährleistet eine gute magnetische Abschirmung zur Umgebung. In einer anderen Ausführungsform kann das Sekundärteil zwei Spulenträger umfassen, zwischen denen das Primärteil (ein ferromagnetischer Träger mit Permanentmagneten) angeordnet ist. In diesem Fall muss der Spulenträger aus einem ferromagnetischen Material bestehen.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind weiterhin elektronische Komponenten, wie Gleichrichter- oder Kommutierungselektronik und/oder Energiespeicher in das Wälzlager integriert. Vorzugsweise geschieht das auf dem Spulenträger, ist aber auch auf dem Magnetträger realisierbar.

Die Träger (Spulenträger und ferromagnetischer Träger) werden vorzugsweise mit einer aufgespritzten Dichtlippe kombiniert und bilden eine Laby- rinthdichtung, die den Generator gegen die Lagerschmierung abdichtet.

Der magnetische Rückfluss wird je nach Bauform über den Innenring oder über den Außenring des Wälzlagers geführt. In den Trägern (Spulenträger und ferromagnetischer Träger) können radiale Lüftungsschlitze vorgesehen sein. In diesem Fall ist natürlich eine Kombination mit der Labyrinthdichtung nicht möglich.

Spulenträger und ferromagnetische Träger können eine ringförmige Verstei- fung zur Erhöhung der Drehzahlfestigkeit aufweisen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig . 1 : eine Draufsicht auf einen Spulenträger;

Fig. 2: eine Draufsicht auf einen ferromagnetischen Träger mit Permanentmagneten; Fig. 3: eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Sekundärteil mit einer zweireihigen Schleifenwicklung zwischen zwei Trägerscheiben eines Primärteils; Fig. 4: eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem Sekundärteil mit einer einreihigen Schleifenwicklung zwischen zwei Trägerscheiben eines Primärteils;

Fig. 5: eine Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einer Erregerwicklung;

Fig. 6: eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform der Er- findung mit einer Erregerwicklung und Schleifkontakten;

Fig. 7: eine Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung mit einem zwischen zwei Trägerscheiben eines Sekundärteils angeordneten Primärteil und einer zweireihigen Schleifenwicklung;

Fig. 8: eine Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung mit einem zwischen zwei Trägerscheiben eines Sekundärteils angeordneten Primärteil und einer einreihigen Schleifenwicklung.

Fig. 1 zeigt einen Spulenträger 01 , wie er in einem erfindungsgemäßen Wälzlager Verwendung findet, in einer Draufsicht. Der Spulenträger 01 bildet mit einer Ankerwicklung ein Sekundärteil einer elektrischen Maschine. Er besteht vorzugsweise aus einem Schichtaufbau, z.B. aus einem Leiterplattenmaterial FR4, welches eine Mischung aus Epoxidharz und Glasfasergewebe ist, als Basismaterial mit einer ein- oder beidseitigen Kupferschicht mit einer Schichtdicke von vorzugsweise etwa 70 bis 140 μιτι, welche in mehreren Lagen miteinander verbunden werden (Multilayertechnologie). Die Kle- beverbindung der beidseitigen Kupferschicht kann hierbei beispielsweise durch eine endlosfaserverstärkte duroplastische Kunststoffmatrix (Prepreg) erfolgen. Auf dem scheibenförmigen Spulenträger 01 sind verschiedene Möglichkeiten der Anordnung der Spulen zur Ankerwicklung dargestellt. Die Ankerwicklung kann beispielsweise als einreihige flächenhaft ausgebildete Schleifenwick- lung 02, als zweireihige Schleifenwicklung 03 oder als fortlaufende Wellenwicklung 04 (mäanderförmig) ausgebildet sein. Sowohl die Schleifenwicklungen 02, 03, als auch die Wellenwicklung 04 sind in Umfangsrich- tung verteilt auf dem Spulenträger 01 angeordnet. Die einzelnen Schichten sind durchkontaktiert, um die einzelnen Spulen miteinander zu verschalten. Der Fachmann kennt die möglichen Varianten der Schaltungen der Ankerwicklung zum Beispiel als Dreiphasenwicklung in Stern- oder Dreieckschaltung.

Die Spulen der zweireihigen Schleifenwicklungen 03 sind vorteilhafterweise zueinander in Umfangsrichtung um eine halbe Polteilung P/2 versetzt angeordnet. Damit ist eine Drehrichtungserfassung möglich.

Fig. 2 zeigt einen ferromagnetischen Träger 06, der als Primärteil der elektrischen Maschine fungiert. Der Träger 06 ist scheibenförmig. In Umfangs- richtung sind Permanentmagneten 07 mit abwechselnder Polarität verteilt angeordnet. Dabei entspricht die Breite eines Magneten 07 einer Polteilung P.

In den Fig. 3 bis 8 sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung je- weils in einer Schnittdarstellung gezeigt.

Die Elektrische Maschine ist jeweils zwischen einem Innenring 08 und einem Außenring 09 eines Wälzlagers angeordnet.

In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist der Spulenträger 01 drehfest mit dem Innenring 08 verbunden und trägt eine zweireihige Schleifen- Wicklung 03. Er ist zwischen zwei ferromagnetischen Trägern 06, die jeweils mit abwechselnd polarisierten Permanentmagneten 07 bestückt sind, angeordnet, welche mit dem Außenring 09 des Wälzlagers drehfest verbunden sind. Der Magnetkreis wird durch den Außenring 09 als Einsenrückschluss geschlossen. Mit Φ ist der magnetische Fluss in der elektrischen Maschine dargestellt. Der Spulenträger 01 und die Träger 06 sind jeweils gegenüber dem anderen Lagerteil durch eine Dichtlippe 1 1 abgedichtet. Die Dichtlippe 1 1 ist dabei vorzugsweise als Labyrinthdichtung aufgebaut. Der Spulenträger 01 umfasst außerdem einen Elektronik-Baustein 12, der die nötige Kommutierungs- bzw. Gleichrichterelektronik enthält.

Durch die relative Bewegung zwischen Innenring 08 und Außenring 09 wird in der Ankerwicklung 03 eine Spannung induziert, die zur Versorgung weite- rer Bauelemente, wie beispielsweise Sensoren oder Aktoren dient. Der E- lektronik-Baustein 12 kann weiterhin ein Speicherorgan zur Speicherung der elektrischen Energie umfassen. Das Speicherorgan kann eine Batterie, einen Kondensator und/oder eine Spule umfassen. Außerdem können im E- lektronik-Baustein 12 Komponenten oder Schaltungen der durch den Gene- rator zu versorgenden Elemente integriert sein.

Der in Fig. 4 dargestellte Scheibenläufer-Generator ist prinzipiell von gleicher Bauart, wie der zuvor beschriebene, jedoch ist auf dem Spulenträger 01 nur eine einreihige Schleifenwicklung 02 vorgesehen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen jeweils ein erster ferromagnetischer Träger 06 mit den Permanentmagneten 07 bestückt ist und ein zweiter ferromagnetischer Träger 13 ausgeprägte Pole 14 besitzt, welche gegenüberliegend zu den Permanentmagneten 07 angeordnet sind. Die Träger 06, 13 bilden das Primärteil. Außerdem weisen die dargestellten Beispiele jeweils eine dem Primärteil zugeordnete Erregerwicklung 15 auf, deren Eingangsspannung als Regelgröße dient, um den Magnetfluss und damit die Ausgangsspannung am Generator zu regeln. Der Manetfluss der Erregerwicklung 15 überlagert den magnetischen Fluss Φ des Primärteils und verändert den Nutzfluss, welcher für die Spannungsinduktion verantwortlich ist.

Die Erregerwicklung 15 ist bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform auf dem Spulenträger 01 , und bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel zwi- sehen den ferromagnetischen Trägern 06, 13 (mit dem Außenring 09 verbunden) angeordnet.

In der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform trägt der Spulenträger 01 die zweireihige Schleifenwicklung 03, während bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform die einreihige Schleifenwicklung 02 vorgesehen ist.

Der Elektronik-Baustein 12 ist bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform auf dem zweiten ferromagnetischen Träger 13 angeordnet. In diesem Fall sind Schleifbürsten 16 vorgesehen, um eine Kommutierung zu ermöglichen.

Bei den in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen ist der mit den Permanentmagneten 07 bestückte ferromagnetische Träger 06 drehfest mit dem Innenring 08 verbunden und zwischen zwei Spulenträgern 01 angeordnet. In diesem Fall sind die beiden Spulenträger 01 , die das Sekundärteil bilden, aus einem ferromagnetischen Material um den magnetischen Fluss entsprechend zu leiten. Die eigentlichen Spulen in Multilayertechnologie sind dann auf die ferromagnetischen Träger aufgebracht (z.B. geklebt).

Die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 7 und 8 unterscheiden sich darin, dass gemäß Fig. 7 der Spulenträger 01 die zweireihige Schleifenwicklung 03 und gemäß Fig. 8 die einreihige Schleifenwicklung 02 trägt.

Die in den Figuren dargestellten Möglichkeiten der Anordnung von Primärteil und Sekundärteil sind miteinander kombinierbar. Der Spulenträger 01 kann eine den Erfordernissen entsprechende Ankerwicklung tragen, die auch anders als in Fig. 1 dargestellt, ausgeführt sein kann. Es ist ebenso möglich, die drehfeste Anordnung von Primärteil und Sekundärteil in den Lagerteilen zu vertauschen und den Eisenrückschluss über den Innenring zu führen. Damit ist die elektrische Maschine einfach und preiswert für verschiedene gängige Lagertypen herstellbar und in diese integrierbar.

Bezugszeichenliste

01 - Spulenträger

02 - einreihige Schleifenwicklung

03 - zweireihige Schleifenwicklung

04 - Wellenwicklung

05-

06 - Träger

07 - Permanentmagnet

08- Innenring

09 - Außenring

10-

11 - Dichtlippe

12- Elektronik-Baustein

13 - Träger, zweiter

14- Pol

15- Erregerwicklung

16- Schleifbürste