Wälzlager mit elektrischem Generator Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager mit elektrischem Generator.

Hintergrund der Erfindung

Die Drehbewegung eines Wälzlagers kann im Betrieb elektrische Energie erzeugen. Hierzu kann ein elektrischer Generator baulich in das Wälzlager integriert werden. Ein solcher elektrischer Generator kann beispielsweise als Klau- enpolgenerator, bei dem Permanentmagnete mit einer Induktionsspule zusammenwirken, ausgebildet sein. Bei einem Klauenpolgenerator umgeben zwei Klauenringe eine Induktionsspule, die die Drehachse des Wälzlagers umlaufen, wobei die beiden Klauenringe in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. Die beiden Klauenringe und die Induktionsspule können beispielsweise an einem Lagerring befestigt werden. Steht eine erste Klaue des ersten Klauenrings einem ersten Pol, beispielsweise einem Nordpol, gegenü- ber, wird ein magnetischer Kreis über eine in Umfangsrichtung benachbarte zweite Klaue, nämlich eine Klaue des zweiten Klauenrings zu einem in Umfangsrichtung benachbarten zweiten, ungleichnamigen, magnetischen Pol, in diesem Fall einem Südpol, gebildet. Dreht sich der Lagerring mit den beiden Klauenringen weiter, steht die zweite Klaue dem Nordpol gegenüber und die erste Klaue einem Südpol, so dass sich die Richtung des die Induktionsspule umgebenden magnetischen Kreises umkehrt und in der Induktionsspule eine magnetische Spannung erzeugt wird. Diese Spannung kann beispielsweise über ein zugeführtes Kabel an der Induktionsspule abgenommen werden. An Wälzlagern mit einem elektrischen Generator, beispielsweise Wälzlager mit einem Klauenpolgenerator, wird von der Praxis gefordert, eine konstante und ausreichend große Spannung zur Verfügung zu stellen, dabei die Standardabmessungen des Wälzlagers beizubehalten und eine einfache Spannungsab- nähme zu ermöglichen. Bei ausschwenkbaren Wälzlagern wird von der Praxis zusätzlich gefordert, die Ausschwenkbarkeit durch die Integration des elektrischen Generators nicht wesentlich einzuschränken. DE 10 201 1 075547 A1 beschreibt ein als insbesondere zweireihiges Pendelrollenlager ausgebildetes Wälzlager mit einem Lagerring, einem Lagerkäfig zur Aufnahme mindestens eines Wälzkörpers und einem als insbesondere Klauen- polgenerator ausgebildeten elektrischen Generator mit Permanentmagneten, wobei die Magnete in eine Käfignut im mittleren Führungsring des Lagerkäfigs integriert sind und die mit den beiden Klauenringen umgebene Induktionsspule gegenüber dem mittleren Führungsring angeordnet ist.

Bei Wälzlagern mit einem elektrischen Generator, insbesondere mit einer Induktionsspule und Permanentmagneten, bestimmt der verfügbare Bauraum die Dimensionierung des elektrischen Generators. Die Größe und Anzahl der Permanentmagnete und der Induktionsspule und somit die erzeugbare Energie sind daher begrenzt. Der elektrische Generator in einem Wälzlager wie in DE 10201 1 075547 A1 beschrieben kann bei etwa 200 Umdrehungen pro Minute beispielsweise etwa 5 Watt erzeugen. Damit können nur einfache Energieab- nehmer, beispielsweise ein einzelner piezoelektrischer Drucksensor für eine Walze für Papierbahnen, versorgt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von einem Wälzlager mit einem Klauenpolgenerator, eine Wälzlagerkonstruktion mit elektrischem Generator anzugeben, das eine höhere Energieerzeugung unter Einhaltung der Standardabmessungen und/oder nur geringfügig angepasste Standardwälzlagerkomponenten ermöglicht. Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine Induktionsspule am Innenring angeordnet ist und die Permanentmagnete am Außenring angeordnet sind. Aufgrund der Relativbewegung des Außenrings, an dem die Permanentmagnete angeordnet sind, und des Innenrings beziehungsweise der Welle, an dem die Klauenringe mit der Induktionsspule angeordnet sind, lässt sich Energie erzeugen. Die Relativbewegung von Außenring und Innenring ist um etwa 50 Prozent höher als die Relativbewegung von Lagerkäfig und Innenring, wie es beispielsweise in DE 10 201 1 075547 A1 beschrieben ist. Diese höhere Geschwindigkeitsdifferenz ermöglicht die Erzeugung von mehr Energie.

Falls die maximal erzeugbare Energie nicht erforderlich ist, kann alternativ die Dimension der Spule und/oder der Permanentmagnete vorteilhaft reduziert werden. Damit wird weniger Bauraum in Anspruch genommen und auch eine Abschirmung gegen beispielsweise die in Umfangsrichtung verlaufenden Wälzkörper wird erleichtert. Auch eine vorteilhafte Verringerung der Anzahl der Permanentmagnete ist möglich.

Des Weiteren kann durch die höhere Relativbewegung von Außenring und Innenring und die damit verbundene kleinere Dimensionierung eines elektrischern Generators dieser auch in solche Wälzlager integriert werden, welche für eine Lösung nach dem Stand der Technik nicht genug Bauraum aufweisen.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete über einen magnetisch leitfähigen Ring, beispielsweise aus Stahl gefertigt, miteinander verbunden. Ein solcher leitfähiger Ring stellt den magnetischen Rück- schluss zwischen ungleichnamigen magnetischen Polen sicher.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete an einem ringförmigen Halter über dessen Umfang verteilt angeordnet. Hierbei ist der ringförmige Halter mit dem Außenring in Umfangsrichtung verdrehsicher verbunden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der ringförmige Halter nicht magnetisch leitfähig, beispielsweise aus Messing gefertigt. Dadurch dass der ringförmige Halter nicht magnetisch leitfähig ist wird der magnetische Rückschluss besser sichergestellt. Der ringförmige Halter hat also eine Isolationsfunktion für den magnetischen Rückschluss, insbesondere gegen einen magnetisch leitfähigen Außenring und/oder Käfig mit aufgenommenen Wälzkörpern.

Die Anordnung der Permanentmagnete kann an dem ringförmigen Halter erfolgen, während der magnetisch leitfähige Ring den magnetischen Rückschluss gewährleistet. Alternativ können die Permanentmagnete auf dem magnetisch leitfähigen Ring angeordnet werden, und der magnetisch leitfähige Ring ist an dem ringförmigen Halter angeordnet. Somit hat der magnetisch leitfähige Ring die weitere Funktion des Trägers der Permanentmagnete. Bei der Herstellung des Wälzlagers kann der magnetisch leitfähige Ring mit den Permanentmagneten vorteilhaft vorab hergestellt werden und anschließend einfach an den ringförmigen Halter angeordnet werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zwei Reihen von Wälzkörpern vorgesehen. Hierbei ist der Lagerkäfig zwischen den zumindest zwei Reihen von Wälzkörpern in Umfangsrichtung in mindestens zwei Käfighälften geteilt und der ringförmige Halter erstreckt sich zwischen diese Käfighälften. Der ringförmige Halter, welcher am Außenring angeordnet ist, passiert also zwischen den Käfighälften vorteilhaft den in Betrieb langsamer rotierenden Käfig und ordnet die Permanentmagnete der Induktionsspule gegenüberliegend für die Erzeugung von Induktionsenergie an. Des Weiteren übernimmt der ringförmige Halter eine Führungsfunktion für die Käfighälften.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verdrehsicherungse- lement in einer Außenringvertiefung aufgenommen. Das Verdrehsicherungse- lement fixiert damit den ringförmigen Halter gegen Verdrehung in Umfangsrichtung.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der ringförmige Halter und das Verdrehsicherungselement so ausgebildet, dass der Außenring gegenüber dem ringförmigen Halter bzw. zur Hauptachse des Wälzlagers verkipp- bar ist. Ein Verkippen zur Hauptachse des Wälzlagers kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Verdrehsicherungselement ohne Hauptachsenspiel in der Außenringvertiefung aufgenommen ist, wobei der ringförmige Halter ein Spiel in Richtung der Hauptachse des Wälzlagers erlaubt. Alternativ kann die Verdrehsicherung ohne Hauptachsenspiel fest mit dem ringförmigen Halter verbunden sein, wobei der Außenring ein Hauptachsenspiel mittels beispielsweise einer in der Hauptachse des Wälzlagers verlaufenden Nut erlaubt. Das Hauptachsenspiel erlaubt vorteilhaft, dass bei verkippen von Außenring gegenüber dem Innenring bzw. dem ringförmigen Halter der Abstand zwischen den Permanentmagneten und der Induktionsspule konstant bleiben kann.

Insbesondere können Ausführungsformen der Erfindung mit einem Verdrehsicherungselement in Wälzlager mit einteiligem Außenring eingesetzt werden. Ein formschlüssiges Verspannen des ringförmigen Halters zwischen zwei Au- ßenringhälften ist dabei beispielsweise nicht erforderlich.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Außenring mehrteilig und umfasst mindestens zwei Außenringhälften und der ringförmige Halter ist formschlüssig zwischen den Außenringhälften verspannt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Wälzlager als Pendelrollenlager ausgebildet. Solche Pendelrollenlager werden beispielsweise für die drehbare Lagerung von großbauenden Walzen eingesetzt. Eine mögliche Lageranordnung ist die drehbare Lagerung der Walze als Führungswalze für Papierbahnen, wobei ein Drucksensor auf der Mantelfläche der Führungswalze durch den elektrischen Generator des Wälzlagers energetisch beaufschlagt werden kann.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung können mehrreihige Wälzlager zwischen jeder Reihe von Wälzkörpern einen erfindungsgemäßen elektrischen Generator integriert haben. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren dargestellt. Es zeigen:

FIG. 1 einen axialen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Wälzlagers gemäß einer Ausführungsform,

FIG. 2 einen schematischen Längsschnitt des in FIG. 1 dargestellten erfin- dungsgemäßen Wälzlagers,

FIG. 3 einen axialen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Wälzlagers gemäß einer weiteren Ausführungsform. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 zeigt den axialen Teilschnitt eines Wälzlager 1 , das als zweireihiges Pendelrollenlager ausgebildet ist, und einen Innenring 2 und einen Außenring 3 umfasst. Der Innenring 2 des Wälzlagers 1 ist auf der Welle 12 montiert. So- mit kann sich das Wälzlager 1 um die Drehachse 13 drehen. Wälzlager 1 umfasst weiter einen Lagerkäfig bestehend aus zwei Käfighälften 4a, 4b, wobei jede Käfighälfte 4a, 4b Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern 5a, 5b umfasst und die Wälzkörper 5a, 5b damit beabstandet führbar sind. Des Weiteren zeigt FIG. 1 die schematische Darstellung von Bauteilen eines Klauenpolgenerators zur Energieerzeugung. Die dargestellten Bauteile des Klauenpolgenerators umfassen die von Klauenringen (nicht in FIG. 1 illustriert) umgebene Induktionsspule 7 und die gegenüberliegenden Permanentmagnete 6. Zwischen den Permanentmagneten 6 und der von Klauenringen umgebe- ne Induktionsspule 7 ist ein Luftspalt 14.

Erfindungsgemäß sind die Permanentmagnete 6 an einem nicht magnetisch leitfähigen ringförmigen Halter 9 mittels eines magnetisch leitfähigen Ring 8 angeordnet. Der ringförmige Halter 9 erstreckt sich vom Außenring 3 zwischen die beiden Käfighälften 4a, 4b. Weiter weist der Außenring 3 zumindest eine Außenringvertiefung 1 1 zur Aufnahme eines Verdrehsicherungselements 10 auf, welches formschlüssig in die Außenringvertiefung 1 1 aufgenommen ist und aus der Laufbahn des Außenrings 3 herausragt. Das Verdrehsicherungsele- ment 10 kann beispielsweise als Stift oder Gewindestift ausgebildet sein.

Der die Laufbahn überragende Teil des Verdrehsicherungselementes 10 ist in eine in Umfangsrichtung formschlüssige Nut des ringförmigen Halters 9 aufge- nommen, wobei die Nut in Hauptachsenrichtung des Wälzlagers 1 ein Spiel 15a, 15b aufweist. Durch die Aufnahme des mit dem Außenring 3 verbundenen Verdrehsicherungselementes 10 in der Nut des ringförmigen Halters 9 ist der ringförmige Halter gegen Verdrehen in Umfangsrichtung gesichert und mit dem Außenring 3 fixiert. Das Spiel 15a, 15b ermöglicht ein Verkippen des Außen- rings 3 gegenüber Welle 12 bzw. dem Innenring 2 mit Wälzkörpern 5a, 5b, ringförmigen Halter 9, Permanentmagnete 6, Käfighälften 4a, 4b und Induktionsspule 7. Hierbei hat der Luftspalt 14 zwischen den Permanentmagneten 6 und Induktionsspule 7 vorteilhaft einen annähernd gleichbleibenden Abstand. Somit kann ein konstanter Energiewert durch den Klauenpolgenerator erzeugt werden.

Es versteht sich, dass erfindungsgemäß eine Sicherung des ringförmigen Halters 9 gegen Verdrehen in Umfangsrichtung auch von zwei oder mehr Verdreh- sicherungselementen 10 erreicht werden kann.

Bei Wälzlagern die nicht verkippbar ausgebildet sind und/oder nur ein geringes Verkippen erlauben/erfordern (nicht in FIG. 1 illustriert), kann auf das Spiel verzichtet werden und das Verdrehsicherungselement formschlüssig mit dem ringförmigen Halter verbunden werden.

Alternativ bzw. zusätzlich (nicht in FIG. 1 illustriert) kann das Spiel auch über eine hauptachsenparallele Nut im Außenring ausgebildet sein. FIG. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt des in FIG. 1 dargestellten er- findungsgemäßen Wälzlagers 1 . Es zeigt den Innenring 2, die Induktionsspule 7 eines Klauenpolgenerators (Klauenringen nicht dargestellt), den magnetisch leitfähigen Ring 8 mit angeordneten Permanentmagneten 6, die einen Luftspalt 14 mit der Induktionsspule 7 bilden, den ringförmigen Halter 9, der in Umfangsrichtung verdrehsicher mittels eines Verdrehsicherungselementes 10 in der Außenringvertiefung 1 1 des Außenrings 3 fixiert ist. Im Längsschnitt der FIG. 2 ist zu erkennen, dass das Verdrehsicherungselement 10 in Umfangsrichtung formschlüssig mit dem ringförmigen Halter 9 verbunden ist, und somit nur in Hauptachsenrichtung ein Spiel aufweist (vgl. FIG. 1 ).

FIG. 3 zeigt einen axialen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Wälzlager in FIG. 2 unterscheidet sich zum Wälzlager in FIG. 1 insbesondere im Aufbau des Außenrings und der Fixierung des ringförmigen Halters 9 in Umfangsrichtung. Der Außenring ist nämlich in zwei Außenringhälften 3a, 3b geteilt. Der ringförmige Halter 9 erstreckt sich zwischen die Außenringhälften 3a, 3b und wird somit ebenfalls formschlüssig verspannt und ist gegen eine Verdrehung in Umfangsrichtung fixiert. Diese Anordnung ist vor allem bei nicht verkippbaren Wälzlagern bzw. nur gering verkippbaren Wälzlagern, bei denen sich der Luftspalt 14 nicht oder nur geringfügig ändert, vorteilhaft, da der Verbau eines Verdrehsicherungsstift (vgl. in FIG. 1 Verdrehsicherungsstift 10 und Außenringvertiefung 1 1 ) nicht erforderlich ist und die Herstellung sowie die Montage noch einfacher und kostengünstiger ist.

Bezugszeichenliste

1 Wälzlager

2 Innenring

3 Außenring

3a Außenringhälfte

3b Außenringhälfte

4a Käfighälfte

4b Käfighälfte

5a Wälzkörper

5b Wälzkörper

6 Permanentmagnete

7 Induktionsspule

8 Magnetisch leitfähiger Ring

9 Ringförmiger Halter

10 Verdrehsicherungselement Außenringvertiefung

12 Welle

13 Drehachse

14 Luftspalt

15a Spiel

15b Spiel