Beschreibung Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem im Zwischenraum zwischen zwei zueinander rotierbaren Lagerringen angeordneten, permanent erregten ersten Generator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Rotationswälzlager umfassen als gegeneinander bewegbare rotierbare Lagerteile einen Innenring und einen Außenring und dazwischen angeordnete Wälzkörper. In verschiedenen Lageranwendungen sind beispielsweise die Erfassung von Drehzahl und Drehrichtung oder andere Überwachungsauf- gaben des rotierenden Lagerteils erforderlich. Für diese und andere Aufgaben werden elektronische Komponenten (Sensoren, Aktoren, Prozessoren, Datenspeicher usw.) verwendet. Diesen elektronischen Komponenten muss Energie zugeführt werden. Aus dem Stand der Technik sind hierfür einige Lösungen bekannt.

Die WO 2008/014766 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung mindestens einer Betriebsgröße eines Radsatzlagers eines Schienenfahrzeuges. 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 mitrotierende 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 abwechselnd angeordneten Polen der Magnete gebildet. Ein Hallsensor ist im Au- ßenring 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 Schienenfahrzeugs mit einem integrierten Drehstromgenerator bekannt. Die durch den Generator erzeugte Energie wird in einer Batterie gespeichert. Der Generator ist im Innenraum zwischen den beiden 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 Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Pole der Dauermagneten sind radial angeordnet und jeweils abwechselnd polarisiert um den Ring herum verteilt. Der Stator ist insgesamt 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 Schrägzylinderrollenlager mit einem integrierten Motor bekannt. Der Rotor ist mit dem Innenring verbunden, der Stator mit dem Außenring. Dieser Motor benötigt einen großen axialen Bauraum. Aus der DE 25 05 802 A1 ist ein in ein Lager integrierter Drehzahlgeber bekannt. Der induktionselektrische Drehzahlgeber umfasst einen ringförmigen, im Querschnitt C-förmigen Rotorkörper aus ferromagnetischem Material. Dieser trägt einen mehrpoligen Permanentmagneten. In dem im Rotorkörper offenen Raum ist ein ringförmiger Statorkörper angeordnet, der mit dem feststehenden Lagerteil verbunden ist. Der Statorkörper weist eine ringförmige Nut auf, in der ein Spulenkörper mit einer Spulenwicklung angeordnet ist. Außerdem trägt der Statorkörper eine ringförmige Zahnscheibe aus ei- nem ferromagnetischen Material. Rotor und Stator wirken derart zusammen, dass sie bei Relativdrehung der Lagerringe eine der Drehzahl entsprechende elektrische Spannung liefern.

Aus der JP 2008 174 067 A ist ein Radlager mit einem Sensor bekannt, wel- eher ein Lastmoment auf dem Rad sicher detektiert. Außerdem ist der Sensor so kompakt, dass er in das Lager integrierbar ist. Innerhalb des Lagers ist ein magnetischer Kreis angeordnet, dessen Luftspalt durch eine Last bzw. Kraft auf das Rad verändert wird. Diese Änderung im magnetischen Fluss wird detektiert.

Aus der US 7,362,023 B2 ist ein Wälzlager bekannt, welches mit einem elektrischen Generator ausgestattet ist. Der elektrische Generator ist in der Art eines Klauenpolgenerators ausgeführt. Ein Multipolmagnet ist dabei auf dem Innen- oder Außenring angeordnet und trägt eine Vielzahl abwechselnd polarisierter Magneten auf seinem Umfang verteilt. Ein magnetischer Ring, der in seinem Inneren eine Spule trägt, ist dem Dauermagnetmultipolring gegenüberliegend angeordnet. Der magnetische Ring trägt ineinander greifende Klauen, die sich jeweils von den Seitenwänden des Magnetringes über die Spule hin erstrecken. Das Lager weist außerdem eine drahtlose Übertragungseinheit auf, die von dem Generator gespeist wird. Mit der drahtlosen Übertragungseinheit werden Drehzahldaten an die Peripherie übertragen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme bieten keine Ausfallsicherheit bei Wicklungsschluss. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Wälzlager mit einem integrierten Generator bereitzustellen, der eine erhöhte Ausfallsicherheit bei der Drehzahlbestimmung am Wälzlager gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Wälzlager umfasst im Zwischenraum zwischen zwei zueinander rotierbaren Lagerringen zwei unabhängige, permanent erregte Generatoren. Die Generatoren umfassen jeweils ein Primärteil und ein Se- kundärteil, wobei das Sekundärteil Dauermagneten aufweist, die mit abwechselnder Polarität zumindest abschnittsweise auf dem Umfang eines der Lagerringe angeordnet sind.

Erfindungsgemäß sind Primärteil oder Sekundärteil des einen Generators um einen Winkel α versetzt zum Primär- bzw. Sekundärteil des anderen Generators im Wälzlager angeordnet.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass in erster Linie eine verbesserte Möglichkeit der Signalauswertung erzielt wird. So kann eines sichere Drehrichtungserkennung und ein Umdrehungszähler umgesetzt werden. Durch den winkligen Versatz der Generatoren wird eine Phasenverschiebung der von den Generatoren gelieferten Spannungen erreicht. Je nach Wahl des Winkels cc, um den die Primärteile oder Sekundärteile zueinander versetzt sind, sind die Ausgangssignale der Generatoren zueinander phasenverschoben.

Die Generatorspannung kann selbstverständlich auch zur Versorgung inter- ner Sensorik, wie beispielsweise zur Schwingungsüberwachung, Tempera- turerfassung, Schmierstoffüberwachung und Drehzahlüberwachung verwendet werden. Die Erfindung kann mit allen verfügbaren Generatoren ausgeführt werden, die in ein Wälzlager integrierbar sind. Vorzugsweise sind die Generatoren baugleich, um annähernd gleich Signalformen zu erreichen. Prinzipiell ist es aber ebenso denkbar, zwei verschiedene Generatoren zu verwenden. Möglich ist es auch, einen zweiten Generator in einem vorhandenen Lager mit bereits eingebautem Generator nachzurüsten.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind Primär- oder Sekundärteil der Generatoren um eine viertel Polteilung (90° bezogen auf den Phasenwinkel) zueinander versetzt. Dadurch wird eine Phasenverschiebung der beiden Spannungssignale um 90° erreicht. Somit werden von den beiden Generatoren annähernd Sinus- und Cosinussignale eines zusammengeführten Spannungssignals erzeugt. Die phasenversetzten sinus- und cosinusähnlichen oder A/B-Signale können nun in an sich bekannter Weise zur Auswertung der Drehinformationen des Lagers und/oder zur Versorgung weiterer Lagersensorik und Auswerteelektronik dienen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Generatoren Klauenpolgeneratoren. In dieser Ausführung sind wiederum zwei Varianten denkbar:

In einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante sind zwei unabhängig voneinander angeordnete Generatoren auf beiden Seiten der Wälzkörper zwi- sehen den Lagerringen mit jeweils einem eigenen Sekundärteil angeordnet. Der magnetische Rückschluss wird dabei über den Lagerring ausgebildet.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind zwei Primärteile mit einem gemeinsamen Sekundärteil auf einer Seite des Wälzlagers zwischen den Lagerringen angeordnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine räumliche Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Wälzlager gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform mit zwei räumlich getrennten Generatoren; Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung des Wälzlagers gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 eine räumliche Schnittdarstellung eines Wälzlagers gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem gemeinsamen Sekundärteil zweier Generatoren;

Fig. 4 eine räumliche Schnittdarstellung eines Primärteiles mit einem

Außenring des in Fig. 3 dargestellten Wälzlagers.

Fig. 1 zeigt eine räumliche, geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Das hier dargestellte Radial-Wälzlager umfasst zunächst in bekannter Weise einen Innenring 01 , einen Außenring 02 sowie dazwischen geführte Wälzkörper 03.

Zwischen dem Innenring 01 und dem Außenring 02 ist auf den beiden Seiten der Wälzkörper 03 ein erster Klauenpolgenerator 04 sowie ein zweiter Klau- enpolgenerator 05 angeordnet. Jeder Klauenpolgenerator 04, 05 umfasst ein Sekundärteil 06 und ein Primärteil 07. Das Sekundärteil 06 ist mit dem Innenring 01 drehfest verbunden und umfasst mit abwechselnder Polarität angeordnete Dauermagneten 08. Das Primärteil 07 ist jeweils mit dem Au- ßenring 02 drehfest verbunden. Es umfasst ein Kunststoffgehäuse 09, welches als Spulenträger ausgebildet ist. Das Kunststoffgehäuse 09 ist u-förmig geöffnet. Dadurch ist eine maschinelle Wicklung einer Spule 1 1 möglich. Das Kunststoffgehäuse 09 isoliert die Spule 1 1 gegenüber den magnetisch leitenden Bauteilen.

Die Führung des magnetischen Flusses ist auf zwei Klauenringe 12, 13 aufgeteilt. Die Klauenringe 12, 13 tragen jeweils Klauen 12a, 13a, welche rechtwinklig zu den Seitenflächen der Klauenringe 12, 13 abgewinkelt sind und abwechselnd ineinander verzahnt angeordnet sind. Die Klauenringe 12, 13 sind am Kunststoffgehäuse fixiert, welches an der dem Sekundärteil zugewandten Seite Ausnehmungen aufweist, in welche die Klauen 12a, 13a eingelegt, eingeklebt oder eingerastet werden.

Der magnetische Fluss geht von einem Nordpol des Sekundärteils 06 in die gegenüberliegende Klaue 13a des Klauenrings 13, von dort umschließt er die Spule 1 1 und tritt an der benachbarten Klaue 12a wieder aus zum Südpol des Sekundärteils 06. Die Flussführung findet dabei über den Außenring 02 statt. Durch die Drehbewegung des Sekundärteils 06 relativ zum Primärteil ändert sich die Richtung des magnetischen Flusses in den Klauen 12a, 13a und somit um die Spule 1 1 ständig. Dabei wird eine Spannung induziert, die sich über alle Klauen aufsummiert.

Die Klauen 12a, 13a laufen vorzugsweise trapezförmig an ihren Enden aus (nicht dargestellt). Dies verbessert die Leistung und verringert die Laufgeräusche des Generators. Die Klauenringe 12, 13 sind an den dem Außen- ring zugewandten Enden präzise verarbeitet, um eine rechtwinklige Austrittsfläche und damit einem möglichst geringen magnetischen Widerstand zum Außenring 02 auszubilden. Der Spulenträger 09 verbindet die beiden Klauenringe 12, 13 miteinander und fixiert die Klauen 12a, 13a abwechselnd zueinander und gegenüber dem Sekundärteil 06. Der Spulenträger 09 wird vorzugsweise nach dem Aufbringen der Wicklung mit einem Kleber oder Kunstharz ausgegossen, um den mechanischen und chemischen Schutz der Spule 1 1 zu erhöhen.

Selbstverständlich können in abgewandelten Ausführungsformen auch Axiallager oder Radial-/Axiallager mit entsprechenden Generatoren ausgerüstet werden.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch das in Fig. 1 gezeigte Wälzlager. Dabei wurde die Schnittlinie so gewählt, dass auf der linken Bildseite der Schnitt in Umfangsrichtung zwischen zwei Klauen 12a, 13a verläuft, wäh- rend auf der rechten Bildseite der Schnitt durch die Klaue 12a verläuft. Gleiche Bezugsziffern wurden für zuvor bereits erläuterte Komponenten vergeben.

Fig. 3 zeigt eine zweite besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen Wälzlagers. Gleiche Bezugsziffern werden dabei für gleiche Funktionselemente verwendet. In dieser Ausführungsform sind die beiden Klauenpolgeneratoren 04, 05 auf derselben Seite der Wälzkörper 03 angeordnet. Beide Klauenpolgeneratoren besitzen ein gemeinsames Sekundärteil 06.

Das Sekundärteil 06 ist, wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform, am Innenring 01 angeordnet und mit Dauermagneten 08 mit abwechselnder Polarität bestückt. Das Sekundärteil 06 dient als Sekundärteil für das erste und das zweite Primärteil 07a und 07b. Der Spulenträger 09 ist zur Aufnahme zweier Spulen 1 1 a, 1 1 b ausgebildet. Durch die doppelt U-förmige Ausführung ist auch hier eine maschinelle Wicklung der Spulen 1 1 a, 1 1 b möglich. Die Führung des magnetischen Flusses ist auf vier Klauenringe 12, 13, 14, 15 aufgeteilt (siehe auch Fig. 4). Die Klauen 12a, 13a, 14a, 15a sind wiederum rechtwinklig zu den Seitenflächen der Klauenringe 12, 13, 14, 15 abgewinkelt, wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform. In Fig. 4, welche eine räumliche und geschnittene Ansicht des Außenringes 02 zeigt, ist der Drehwinkel versatz der Primärteile 7a, 7b zueinander erkennbar. Der Winkelversatz beträgt vorzugsweise eine viertel Polteilung. Dadurch erzeugen die beiden Klauenpolgeneratoren 04, 05 zueinander um 90° phasenversetzte Spannungssignale.

Das Sekundärteil ist in beiden beschriebenen Ausführungsformen vorzugsweise aus kunststoffgebundenem oder gesinterten NdFeB hergestellt und aufmagnetisiert. Vorzugsweise wird es durch Kleben mit dem Innenring drehfest verbunden. Das Primärteil wird in beiden Ausführungsformen vor- zugsweise durch eine Presspassung auf dem Außenring befestigt. Für erhöhte Anforderungen im oberen Drehzahlbereich ist eine mechanische Stabilisierung des bewegten Sekundärteils zum Beispiel durch einen Glasfasermantel oder Harz erforderlich, um die Zentrifugalkräfte zu kompensieren. Der Fachmann wird erkennen, dass eine Kombination der Klauenringe mit einer bekannten Dichtung möglich ist, um einen ausreichenden Schutz vor Verschmutzung zu gewährleisten.

Selbstverständlich kann der Klauenpolgenerator in beiden Ausführungsformen auch in umgekehrter Anordnung in ein Wälzlager integriert werden, das heißt, das Sekundärteil am Außenring und das Primärteil am Innenring. Dabei sind aus fertigungstechnischen Gründen ein zweigeteiltes Kunststoffgehäuse und ein freitragende Spule (Backlackspule) zweckmäßig. 10

Bezugszeichenliste

01 Innenring

02 Außenring

03 Wälzkörper

04 erster Klauenpolgenerator

05 zweiter Klauenpolgenerator

06 Sekundärteil

07 Primärteil

07a erstes Primärteil

07b zweites Primärteil

08 Dauermagnet

09 Spulenträger

10 —

1 1 Spule

1 1 a Spule

1 1 b Spule

12 Klauenring

13 Klauenring

12a Klaue

13a Klaue

14 Klauenring

15 Klauenring

14a Klaue

15a Klaue