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Title:
ELECTRICAL MACHINE AND ITS BEARINGS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/107044
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention aims at increasing the critical speeds of rotation of an electrical machine while using standard components. Therefor, a shaft (11) is housed in the electrical machine by means of a fixed bearing (5, 6) and a free bearing (4). The fixed bearing is formed by two grooved ball bearings which are respectively prestressed in opposite directions by springs. Thus, at least one of the two grooved ball bearings is always prestressed independently of the axial force exerted on the shaft (11), such that the required radial stiffness of the fixed bearing is guaranteed.

Inventors:
Verhoeven, Daniel (Pinzberger Weg 24, Nürnberg, 90425, DE)
Application Number:
PCT/EP2005/051785
Publication Date:
November 10, 2005
Filing Date:
April 21, 2005
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
Verhoeven, Daniel (Pinzberger Weg 24, Nürnberg, 90425, DE)
International Classes:
F16C25/08; H02K5/173; H02K7/08; (IPC1-7): H02K5/173; F16C25/08
Foreign References:
US4892423A1990-01-09
US5316393A1994-05-31
US4204442A1980-05-27
DE9015876U11991-02-07
DE4224980A11994-02-03
DE29603579U11996-06-13
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34, München, 80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Elektrische Maschine mit einem Gehäuse (1) , einer ersten Lagereinrichtung (4) , die als Loslager ausges¬ taltet ist, einer zweiten Lagereinrichtung (5, 6) , die als Festlager ausgestaltet ist, und einer Welle (11) , die mit den beiden Lagereinrichtungen in dem Gehäuse (1) drehbar gelagert ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Lagereinrichtung (5,6) zwei Rillenkugellager aufweist, die zueinander jeweils mit einer Federeinrichtung (8,9) vorgespannt sind.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei auf der Welle (11) zwischen den beiden Lagereinrichtungen (4,5,6) Rotor¬ wicklungen (12) angeordnet sind.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Rillenkugellager durch ein Distanzstück (15) axial voneinander beabstandet sind.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei ein Sicherungselement (14) die Rillenkugellager auf der Welle (11) axial sichert.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei die Federeinrichtungen (8,9) jeweils auf die Au ßenringe der Rillenkugellager wirken.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei die Federeinrichtungen (8,9) jeweils eine Schrau¬ benfeder aufweisen.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei mindestens einer der Außenringe der Rillenkugella ger mit einer Übergangspassung in das Gehäuse (1) eingefügt ist.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei einer der Außenringe der Rillenkugellager in dem Gehäuse (1) radial freigedreht ist.
Description:
Beschreibung

Elektrische Maschine und deren Lager

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, einer ersten Lagereinrichtung, die als Loslager ausgestaltet ist, einer zweiten Lagereinrichtung, die als Festlager ausgestaltet ist, und einer Welle, die mit den beiden Lagereinrichtungen in dem Gehäuse drehbar gelagert ist.

Die radiale Nachgiebigkeit von Wälzlagern hat einen wesentli¬ chen Einfluss auf das Betriebsverhalten von Maschinen, da durch die zusätzliche Elastizität der Lager die biegekriti- sehen Drehzahlen der Rotoren gegenüber der idealen starren Lagerung absinken. Wälzlager weisen zudem i.a. in der hori¬ zontalen Querrichtung eine geringere Steifigkeit auf als in der vertikalen Querrichtung, da dort die radiale Vorspannung durch das Rotorgewicht nicht vorhanden ist. Dies führt zu ei— ner Aufspaltung der Biegeeigenformen in eine horizontale und eine vertikale, wobei die horizontale in der Frequenz niedri¬ ger liegt und daher schon bei niedrigeren Drehzahlen mit Schwingungs- und Geräuschproblemen zu rechnen ist.

In der Praxis wird dieses Problem in bekannter Weise gelöst, indem Wälzlager eingesetzt werden, die sich axial vorspannen lassen, z.B. Rillenkugellager oder Schrägkugellager. So er¬ höht sich vor allem die horizontale Quersteifigkeit der Lager und damit auch der mögliche Drehzahlbereich der Maschine. Au- ßerdem wird das Geräuschverhalten und die Lebensdauer der La¬ ger positiv beeinflusst.

In DE 196 54 089- Al ist ein Rillenkugellager beschrieben, bei dem eine axiale Vorspannung innerhalb des Lagers erzielt wird, indem durch Konstruktionselemente des Käfigs die Wälz¬ körper abwechselnd axial in die eine und die entgegengesetzte Endlage der Laufflächen gedrückt werden. Es handelt sich dem- nach nicht um ein standardmäßig verfügbares Lager. Auch DE 689 04 444 T2 und DE 36 26 626 C2 beschreiben Spezialkon- struktionen von Wälzlagern mit axialer Vorspannmöglichkeit. Diese Varianten haben ebenfalls den Nachteil, dass die Lösun- gen Standardbauteile ausschließen.

In DE 42 24 980 Al wird eine konstruktive Lösung beschrieben, die Standard-Wälzlager verwendet und die Lager in einer Rich¬ tung so stark vorspannt, dass äußere Belastungen zwar eine Schwankung des Wertes der axialen Vorspannung, aber nicht ei¬ ne Richtungsumkehr bewirken können. Dieser Weg löst das Prob¬ lem prinzipiell, aber es werden schon innerhalb der Maschine hohe statische Belastungen der Lager erzeugt, die die Lebens¬ dauer reduzieren.

Die DE 30 38 112 Al beschreibt eine Konstruktion mit ein- und nachstellbarer axialer Vorspannung der Lager. Auch hier sind einige Sonderelemente erforderlich und der Innenring eines Lagers muss verschiebbar auf der Welle ausgeführt sein. Da der Innenring in vielen Fällen Umfangslast hat, besteht bei dieser Variante die Gefahr des Passungsrostes.

Bei der allgemein bekannten schwimmenden Lagerung sind beide Lager vorgespannt, der Rotor ist allerdings nicht statisch bestimmt gelagert, d.h. er hat einen translatorischen Frei¬ heitsgrad in Achsrichtung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei ei¬ ner elektrischen Maschine eine Lagerung vorzuschlagen, bei der die biegekritischen Drehzahlen möglichst hoch sind und Standardbauteile verwendet werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, durch eine elekt¬ rische Maschine mit einem Gehäuse, einer ersten Lagereinrich- tung, die als Loslager ausgestaltet ist, einer zweiten La¬ gereinrichtung, die als Festlager ausgestaltet ist, und einer Welle, die mit den beiden Lagereinrichtungen in dem Gehäuse drehbar gelagert ist, wobei die zweite Lagereinrichtung zwei Rillenkugellager aufweist, die zueinander jeweils mit einer Federeinrichtung vorgespannt sind.

In vorteilhafter Weise kann somit eine Wälzlagerung des Ro¬ tors einer elektrischen Maschine bereitgestellt werden, die mit einfachen Rillenkugellagern und Federelementen den Rotor axial führt und die alle Lager der elektrischen Maschine mit einer axialen Mindestvorspannung beaufschlagt, welche nicht durch äußere Axialkräfte auf den Rotor aufgehoben werden kann.

Auf der Welle zwischen den beiden Lagereinrichtungen können Rotorwicklungen angeordnet sein. Mit der erfindungsgemäßen Festlagerkonstruktion ist es damit möglich, die hohe Radial- steifigkeit der Rillenkugellager permanent zu erhalten und dadurch eine höhere Maximaldrehzahl zu erreichen.

Vorzugsweise sind die beiden Innenringe der Rillenkugellager durch ein Distanzstück axial voneinander beabstandet. Dadurch können die -Außenringe der beiden Rillenkugellager unabhängig voneinander durch die Federeinrichtungen in axialer Richtung verschoben werden, so dass stets eine axiale Vorspannung ge¬ währleistet ist.

Ein Sicherungselement kann die Rillenkugellager auf der Welle axial sichern. Damit ist zusätzlich zu der Reibkraft, die beispielsweise von dem Aufschrumpfen der Lagerinnenringe auf die Welle resultiert, gewährleistet, dass Axialkräfte über das Lager auf das Gehäuse übertragen werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform wirken die Federeinrich¬ tungen jeweils auf die Außenringe der Rillenkugellager. Prin¬ zipiell könnten die Federeinrichtungen zwar auch auf die In- nenringe wirken, wobei die Außenringe dann fest in das Gehäu¬ se eingepasst werden müssten. Dies hätte jedoch bei der Mon¬ tage Nachteile. Bevorzugt ist weiterhin, wenn die Federeinrichtungen jeweils eine Schraubenfeder aufweisen, mit der sie die Vorspannkraft aufbringen. Derartige Schraubenfedern sind einfach in der Herstellung und kostengünstig. Grundsätzlich könnten aber auch hydraulische, pneumatische, elektrische, magnetische und andere Federelemente verwendet werden.

Mindestens einer der Außenringe der Rillenkugellager kann ferner mit einer Übergangspassung in das Gehäuse eingefügt sein. Dadurch wird erreicht, dass der Außenring zwar axial verschiebbar ist, aber die Lagerung in radialer Richtung den¬ noch bestimmt ist.

Darüber hinaus kann einer der Außenringe der Rillenkugellager in dem Gehäuse radial freigedreht sein. Dies hat den Vorteil einer eindeutigen Lastaufteilung zwischen den beiden Rillen¬ kugellagern.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 eine elektrische Maschine mit konventioneller Lage¬ rung; FIG 2 eine elektrische Maschine mit erfindungsgemäßer La- gerung in einem prinzipiellen Diagramm; und FIG 3 ein konkretes Ausführungsbeispiel einer elektri¬ schen Maschine mit erfindungsgemäßer Lagerung.

Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.

Die Erfindung baut auf eine bekannte und verbreitete Wälzla¬ gerung (FIG 1) auf. Diese Lagerung ist in einer beliebigen Gehäusekonstruktion 1, 2, 3 eingebaut. Es wird ein Rillenku¬ gellager 5 mit fester Passung am Innen- und Außenring als Festlager eingesetzt. Das Loslager wird durch ein Rillenku- gellager 4 gestaltet, das am Außenring eine lose Passung be¬ sitzt. Der Außenring kann durch eine Druckfeder 7 verschoben werden. Beide Innenringe der Lager sind durch Sicherungsele¬ mente 13, 14 axial auf der Welle 11 gesichert. Die axiale An- stellkraft von der Feder 7 überträgt sich über den Rotor 11, 12 auf das Festlager 5. Sie kann allerdings durch eine äußere Axialkraft (z.B. Zugkraft auf die Welle 11) kompensiert wer¬ den, so dass das Festlager 5 axialkraftfrei läuft.

Die Erfindung verwendet entsprechend der Prinzipdarstellung von FIG 2 das gleiche Loslagerprinzip. Als Festlager werden statt einem zwei Rillenkugellager 5,6 eingesetzt, deren In¬ nenringe fest auf der Welle 11 sitzen und die durch ein Dis¬ tanzelement 15 axial distanziert sind. Ein Sicherungselement 14 sichert die Innenringe auf der Welle axial. Die Außenringe beider Lager sind mit loser Passung in das umgebende Gehäuse¬ teil 3 eingefügt. Durch die lose Passung, die auch als Über¬ gangspassung bezeichnet wird, kann erreicht werden, dass die Außenringe gegenüber dem Gehäuseteil 3 axial verschiebbar sind. Gleichzeitig gewährleistet die Übergangspassung eine ausreichende Radialsteifigkeit. Einer der beiden Außenringe kann aber auch radial freigedreht eingebaut sein, wodurch das entsprechende Lager aus Gründen der eindeutigen Lastauftei¬ lung nur Axiallasten aufnehmen kann.

Die beiden Lager 5, 6 des Festlagers sind durch das umgebende Gehäuse 3 axial fixiert und die Außenringe werden mit Feder- elementen 8, 9 derart angestellt, dass die Federkräfte in Richtung des durch das Distanzelement 15 erzeugten Spaltes zeigen. Die Richtung der Anstellkraft der Feder 7 des Losla¬ gers 4 kann beliebig gewählt sein.

Bei der vorliegenden Gestaltung der Lagerung hat die axiale Anstellkraft des Loslagers 4 unabhängig von einer äußeren Axialkraft den Wert der Kraft der Feder 7 reduziert um die Reibkraft des Außenringes in der Gehäusebohrung 2. Die Axial¬ kraft, die das Festlager 5, 6 insgesamt aufnehmen muss, be- rechnet sich aus der vektoriellen Addition der auf die Welle 11 wirkenden, äußeren Kraft, der Kraft der Feder 7 des Losla¬ gers 4 und der Reibkraft. Je nach Betrag und Richtung dieser Gesamtkraft ist beim Festlager ein Lager 5 oder 6 nur mit der Kraft der jeweiligen Feder 8 bzw. 9 reduziert um die zugehö¬ rige Reibkraft axial beaufschlagt und das andere Lager mit der Gesamtkraft. Diese Gesamtkraft wirkt im Lager und wird am Außenring anteilig durch Kontaktkraft im Gehäuse aufgenommen. In jedem Fall hat die axiale Vorspannung eines der beiden La- ger mindestens den Wert der zugehörigen Federanstellkraft re¬ duziert um die Reibkraft. Da nun eines der beiden Lager 5 o— der 6 unabhängig von der Axialkraft auf die Welle 11 immer vorgespannt ist, wird stets die geforderte Radialsteifigkeit des Festlagers aufrechterhalten. Dadurch kann vermieden wer- den, dass durch einen axialkraftfreien Zustand des Gesamtla¬ gers oder eines der beiden Rillenlager 5 oder 6 die entspre¬ chenden Radialsteifigkeiten absinken und die Maschine zu hö¬ heren Schwingungen und Geräuschwerten neigt.

In FIG 3 ist eine auf der Prinzipdarstellung von FIG 2 basie¬ rende konkrete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elekt¬ rischen Maschine wiedergegeben. Die Federelemente 7, 8 und 9 sind hier konkret als Schraubenfedern ausgeführt. Diese Rea- lisierung eines Federelements ist gegenüber anderen Realisie- rungsformen verhältnismäßig kostengünstig und robust.

Erfindungsgemäß wird so mit einfachen Standardbauteilen ohne Verzicht auf die axiale Führung des Rotors durch axiale Bewe¬ gungsmöglichkeit aller Außenringe der Lagerung in mindestens einer Richtung und das Einwirken von Federkräften auf alle Außenringe erreicht, dass unter beliebiger äußerer Axialkraft kein Lager axialkraftfrei laufen kann.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Lageraufbaus sind: 1. Erhöhte Radialsteifigkeit durch Vorspannung der Lager und damit höhere maximale Betriebsdrehzahl; 2. Reduzierung des Lagergeräusches; 3. keine Gefahr von vorzeitigen Lagerschäden aufgrund von Un¬ terlastbetrieb; 4. keine Sonderbauteile erforderlich.