KLAR ALEXANDER (AT)
NEUMEISTER ROBERT (AT)
US3973779A | 1976-08-10 | |||
DE10324849A1 | 2005-01-05 | |||
EP0588490A1 | 1994-03-23 | |||
DE202005003477U1 | 2005-05-25 | |||
US20080111314A1 | 2008-05-15 |
Patentansprüche 1. Dichteinrichtung (10) für Hochgeschwindigkeits-Rotorwellen einer elektrischen Vorrichtung, umfassend ein inneres ringförmiges Dichtelement (14), dass umfänglich um eine Welle der elektrischen Vorrichtung befestigbar ist; und ein äußeres ringförmiges Dichtelement (12), dass umfänglich um das innere Dichtelement (14) im Gehäuse (32) der elektrischen Vorrichtung befestigbar ist, wobei das innere und das äußere Dichtelement (12, 14) voneinander beabstandet sind; dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite des inneren Dichtelements (14) und/oder auf der Innenseite des äußeren Dichtelements (12) ein Drallmuster (18) eingearbeitet ist. 2. Dichteinrichtung (10) nach Anspruch 1 , bei der die Innenkanten inneren Dichtelements und/oder die Außenkanten der Innenseite des äußeren Dichtelements eine Fase (13, 15) aufweisen. 3. Dichteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Abstand zwischen innerem Dichtelement (14) und äußerem Dichtelement 0,1 bis 1 mm beträgt. 4. Dichteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Drallmuster eine oder mehrere Nuten aufweist, die in der jeweiligen Oberfläche ausgebildet sind. 5. Dichteinrichtung (10) nach Anspruch 4, bei der die zumindest eine spiralförmige Nut gewindeähnlich um den Umfang verläuft. 6. Dichteinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei der die Nut einen abgerundeten Boden aufweist. 7. Dichteinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die Nuten eine geringere Breite aufweist, als die Wände zwischen den Nuten. 8. Dichteinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Wände zwischen den Nuten (20) an der Oberseite flach ausgebildet sind. 9. Elektrische Vorrichtung (30), umfassend eine Welle (34), ein Gehäuse (32), einen Rotor (33), der auf der Welle (34) angeordnet ist, und einen Stator (31 ), der im Gehäuse (32) gelagert ist, wobei die elektrische Vorrichtung (20) ferner zumindest eine Dichteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. 10. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Außenring der Dichteinrichtung (10) einstückig mit dem Gehäuse (32) ausgebildet ist. |
Bauteilen
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungsfreien Abdichtung von sich schnell drehenden Bauteilen wie Rotorwellen und eine elektrische Vorrichtung, die eine solche Abdichtung aufweist.
Stand der Technik
In den bekannten Systemen zur Abdichtung von Wellen werden Wellendichtringe eingesetzt. Diese Wellendichtringe werden mit einem festen Sitz in das Gehäuse eingebaut. Die Dichtwirkung beruht auf einer auf die Oberfläche der Welle
berührenden Dichtlippe, die (bspw. mittels einer Feder oder Vorspannung) auf die Wellenoberfläche drückt. Um eine Dichtwirkung zu erzielen ist ein gewisser
Anpressdruck in der Kontaktfläche zwischen Dichtlippe und Wellenoberfläche notwendig. Aufgrund der hohen Drehzahlen der E-Motoren (im konkreten Fall 35.000rpm) und der im Vergleich großen Wellendurchmesser ergeben sich
Gleitgeschwindigkeiten in der Kontaktzone, die an die Grenzen des Materials stoßen können, wodurch das Material verglühen kann.
Als Alternative können Labyrinthdichtungen eingesetzt werden, die jedoch nicht hundert prozentig dicht sind. Dadurch kann wiederum Öl aus einem benachbarten Getriebe in die elektrische Vorrichtung eintreten und diese beschädigen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Dichteinrichtung bereitzustellen, die zum Einen im Einsatz bei schnell drehenden Elementen robust und sicher ist, gleichzeitig aber auch eine gute Dichtwirkung bereitstellt.
Eine solche Dichteinrichtung umfasst die Merkmale des Anspruchs 1 . Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Eine Erfindungsgemäße Dichteinrichtung für Hochgeschwindigkeits-Rotorwellen eines Elektromotors umfasst ein inneres ringförmiges Dichtelement, dass umfänglich um eine Welle des Elektromotors befestigbar ist und ein äußeres ringförmiges
Dichtelement, dass umfänglich um das innere Dichtelement im Gehäuse des
Elektromotors befestigbar ist, wobei das innere und das äußere Dichtelement voneinander beabstandet sind, wobei auf der Außenseite des inneren Dichtelements und/oder auf der Innenseite des äußeren Dichtelements ein Drallmuster
eingearbeitet ist. Sollte das Fluid in diesem Grenz- bzw. Kontrollbereich eindringen, wird aufgrund der kinematischen Beziehungen und der rotierenden Dralloberfläche das Fluid in Rotation versetzt und aus dem Kontrollbereich herausgefördert. Dabei werden insbesondere strömungsmechanische Transportvorgänge des Fluides ausgenutzt, um die Dichtwirkung zu erzeugen. Dadurch wird eine nahezu
verschleißfreie Dichtung gewährleistet, ohne dass die Dichtwirkung stark
beeinträchtigt wird. Ferner ist auch der Aufbau der Dichtung vergleichsweise einfach und wenig fehleranfällig. Das Drallmuster ist bevorzugt am rotierenden Bauteil angeordnet, welches in der Regel der Innenring ist. An diesem wirkt das Drallmuster besser auf das Fluid.
Der Abstand zwischen Innen- und Außenring ist vorzugsweise maximal 1 mm groß, weiter vorzugsweise 0,8mm oder 0,6mm. Der Minimalabstand beträgt zumindest 0,05mm, bevorzugt 0,1 mm oder 0,4mm. Diese Abstände betreffen den Abstand des radial äußersten Rand des Innenrings zum innersten Rand des Außenrings.
Vorzugsweise weisen die innen liegenden Kanten des inneren Dichtelements und/oder die außen liegenden Kanten der des äußeren Dichtelements eine Fase auf. Durch die Fasen wird die Montage der Dichteinrichtung vereinfacht und deren
Festigkeit erhöht. Das Drallmuster kann eine oder mehrere Nuten aufweist, die in der jeweiligen
Oberfläche ausgebildet sind. Die Nut oder Nuten sind vorzugsweise spiralförmig und verlaufen insbesondere gewindeähnlich um den Umfang. Die Ausbildung des
Drallmusters als Nuten und insbesondere als spiralförmig verlaufende Nuten stellt ein einfaches aber effektives Muster dar, um die Drallwirkung auf das Fluid zu bringen. Der Winkel der Nuten ist in Bezug auf die Drehrichtung so gewählt, dass bei Rotation des Außen- oder Innenrings, die Drallwirkung in die gewünschte Richtung auftritt, d.h. dass die Nuten ähnlich wie ein Schneckenantrieb wirken. Die Nut weist vorzugsweise einen abgerundeten Boden auf. Dies ermöglicht ein gutes
Fluidverhalten bei hohen Geschwindigkeiten und ist einfach herzustellen. Die Nuten weisen vorzugsweise eine geringere Breite auf, als die Wände zwischen den Nuten. Dies begünstigt ebenfalls die Drallwirkung und führt zu geringerer Spritzneigung des Fluids. Die Wände zwischen den Nuten sind bevorzugt an der Oberseite flach ausgebildet. Dadurch wird der Abstand zwischen Innen- und Außenring besser kontrollierbar und die Drallwirkung auf das Fluid kann besser gesteuert werden um eine gleichbleibende Drallwirkung möglichst über die gesamte Breite der
Dichteinrichtung zu erreichen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung, die eine Drehwelle, ein Gehäuse, einen Rotor, der auf der Drehwelle angeordnet ist, und einen Stator, der im Gehäuse gelagert ist, umfasst, wobei die elektrische Vorrichtung ferner zumindest eine vorher genannte Dichteinrichtung aufweist. Eine solche elektrische Vorrichtung ist insbesondere ein Elektromotor oder ein Generator, bei dem ein benachbartes Bauteil ein Schmiermittel benötigt, bspw. das Getriebe neben einem Elektromotor, die elektrische Vorrichtung selbst aber möglichst frei von dem Schmierfluid des benachbarten Bauteils bleiben soll. Hier kann dann die
erfindungsgemäße Dichtvorrichtung auf einfache und effektive Art eingesetzt werden. Vorzugsweise ist bei der elektrischen Vorrichtung der Außenring der Dichteinrichtung einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet. Dies erleichtert den Einbau der
Dichteinrichtung. Ferner können im Gehäuse der elektrischen Vorrichtung
Rücklaufkanäle für das Fluid vorgesehen sein, insbesondere solche, die das Fluid zwischen einem Kugellager und der Dichteinrichtung wieder an den für das Fluid vorgesehenen Ort bringen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine herkömmliche elektrische Vorrichtung mit einer
erfindungsgemäßen Dichteinrichtung und einer Vergrößerung der Dichteinrichtung;
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Dichteinrichtung; und
Figur 3 zeigt einen Innenring mit einem Drallmuster. Beschreibung der bevorzugten Ausführunqsformen
Im Folgenden bedeutet "axial" eine Richtung entlang der Drehachse der
Dichteinrichtung (entspricht der Wellenachse in Figur 1 ), "radial" eine Richtung senkrecht zur axialen Richtung und "umfänglich" eine Richtung entlang des Umfangs der Dichteinrichtung.
Eine erfindungsgemäße Dichteinrichtung 10 wird üblicherweise in elektrischen Vorrichtungen 30 eingesetzt. Ein kleiner Ausschnitt einer solchen elektrischen Vorrichtung 30 ist in Figur 1 dargestellt. Auf der Welle 34 ist ein Rotor 33 angeordnet, der zusammen mit einem Stator 31 als Motor oder als Generator verwendet wird. Die elektrische Vorrichtung 30 umfasst ferner auch ein Getriebe, das nur ansatzweise auf der linken Seite in Figur 1 zu erkennen ist. In der Vergrößerung ist eine
Dichteinrichtung dargestellt, die neben einem Kugellager 35 angeordnet ist und die verhindert, dass ein Fluid wie bspw. Öl in die elektrische Vorrichtung gelangt. Hier umfasst die elektrische Vorrichtung daher auch das Getriebe, in der dann die
Dichteinrichtung angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Dichteinrichtung 10 ist in Figur 2 in einer Schnittansicht gezeigt. Die Dichteinrichtung ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet und weist ein inneres Dichtelement 14 (vorzugsweise ein Innenring) und ein äußeres Dichtelement 12 (vorzugsweise ein Außenring) auf. An den Außenseiten der jeweiligen Ringe 12,
14 sind fasen 13, 15 ausgebildet. Beim Innenring 14 ist die Fase 15 an der
Innenseite und beim Außenring 12 ist die Fase 13 an der Außenseite vorgesehen.
An zumindest einer der zueinander gerichteten Oberflächen des Innen- und des Außenrings ist ein Drallmuster 18 vorgesehen. Es kann also lediglich am Innenring 14 ausgebildet sein, lediglich am Außenring 12 oder auch sowohl am Außen- als auch am Innenring. Das Drallmuster 18 ist derart ausgebildet, dass im Betrieb eine Kraft auf ein Fluid ausgeübt wird, dass zwischen den Innenring 14 und den
Außenring 12 eingedrungen ist, die so genannte Drallwirkung. Die Drallwirkung entsteht bei Drehung der Dralleinrichtung. Dadurch wird das Fluid in die gewünschte Richtung bewegt und kann nicht durch die Dichtung fließen. Dies kann beispielsweise durch eine oder mehrere spiralförmig verlaufende Nuten 20
geschehen. In einer Ausführungsform ist die Nut 20 als ein Gewinde ausgebildet, so dass es mit einem Gewindeschneider eingearbeitet werden kann. In einer anderen Ausführungsform ist das Drallmuster 18 als eine Nut 20 oder mehrere Nuten ausgebildet, wobei diese die Nut 20 einen Radius am Boden aufweist. Zwischen den Nuten 20 sind Wände 22 vorgesehen. Die Wände 22 weisen eine größere Breite als die Nuten 20 auf. Es können mehrere Nuten sein, die insbesondere parallel spiralförmig verlaufen, es kann aber auch nur eine Nut sein.
Der Innenring wird üblicherweise auf einer Welle befestigt während der Außenring in einem Gehäuse 32 sitzt. Vorzugsweise ist in dem Gehäuse 32 auch ein
Rücklaufkanal vorgesehen, der das Fluid wieder hinter das Kugellager fördert.
Wenn sich die Welle dreht rotiert das Drallmuster 18 ebenfalls. Dadurch wird dann durch den spiralförmigen Verlauf der Nut das Fluid wie bei einer Schnecke gefördert. Wenn spiralförmig verlaufende Nuten als Drallmuster 18 vorgesehen sind, dann sollte die Drehrichtung der Welle allerdings nicht gewechselt werden, da die
Drallwirkung ansonsten in der Gegenrichtung wirkt. Im Stillstand kann das Öl nicht durch die Dichtung sickern, weil der Ölstand in der Regel zu niedrig ist. Die geringe Menge an Öl, die dennoch in die elektrische Vorrichtung gelangt, kann dann über weitere Rücklaufkanäle im Betrieb wieder ablaufen. Die Rücklaufkanäle sind in den Figuren nicht dargestellt.
Der Abstand h zwischen Innen- und Außenring ist vorzugsweise maximal 1 mm groß, weiter vorzugsweise 0,8mm oder 0,6mm. Der Minimalabstand beträgt zumindest 0,05mm, bevorzugt 0,1 mm oder 0,4mm. Diese Abstände betreffen den Abstand h des radial äußersten Rand des Innenrings zum innersten Rand des Außenrings 12 (siehe Figur 2).
In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine oder beide der zueinander gerichteten Flächen des Innenrings 14 und des Außenrings 12 leicht geneigt sein, so dass der Abstand zwischen dem Innen- und dem Außenring in Richtung der
Drallwirkung größer ist, als in der Gegenrichtung. Dadurch wird das ausfließen des Fluids in die gewünschte Richtung erleichtert. Der Unterschied des Abstands h zwischen Innen- und Außenring kann dabei 0,1 bis 0,5mm betragen. Bezuqszeichenliste
10 Dichteinrichtung
12 Außenring
13 Fase Außenring
14 Innenring
15 Fase Innenring 16 Nut
18 Drallmuster
20 Nut
22 Wand
30 elektrische Vorrichtung 31 Stator
32 Gehäuse
33 Rotor
34 Welle
35 Kugellager
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