DE4408624A1 - Elektromaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine mit einem mindestens ein Lagerschild umfassenden Gehäuse und einem an dem Lagerschild mittels mindestens eines Wälzlagers um eine Rotorachse drehbar gelagerten Rotor.

Bei Elektromaschinen besteht das Problem, daß bei diesen dann, wenn sie für große Temperaturbereiche geeignet sein müssen, Probleme mit der Aufnahme des Wälzlagers im Lager­ schild auftreten, insbesondere dann, wenn das Lagerschild aus einem Material ist, das ein signifikant anderes Temperaturverhalten als das Material des Wälzlagers aufweist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektromaschine der gattungsgemäßen Art derart zu ver­ bessern, daß Probleme der Wärmeausdehnung im Bereich der Führung des Wälzlagers im Lagerschild verhindert werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Elektromaschine der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wälzlager an dem Lagerschild mittels eines Einsatzteils gehalten ist, welches in radialer Richtung zur Rotorachse unterschiedliche Wärmeausdehnungen von Lagerschild und Wälzlager durch ein in dieser Richtung elastisch defor­ mierbares Segment ausgleicht.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit darin zu sehen, daß durch das deformierbare Segment des Einsatz­ teils die Möglichkeit geschaffen ist, auch bei unter­ schiedlichen Wärmeausdehnungen von Lagerschild und Wälz­ lager das Wälzlager ohne Entstehen von Passungsproblemen zwischen Wälzlager und Lagerschild und ohne ein Auftreten von Radialverspannungen im Wälzlager zu lagern.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektromaschine sieht dabei vor, daß die elastischen Eigenschaften des Segments axialsymmetrisch zur Rotorachse ausgebildet sind. Eine derartige Ausbildung des elastischen Segments gewährleistet, daß bei einer Deformation des elastischen Segments die Rotorachse sich hinsichtlich ihrer Konzentrizität bezüglich des Lager­ schildes nicht verändert, sondern das elastische Segment aufgrund seiner zur Rotorachse axialsymmetrischen elas­ tischen Eigenschaften sich allseitig gleich deformiert und somit unabhängig von Wärmeausdehnungen des Wälzlagers und des Lagerschildes die Rotorachse konzentrisch zum Lager­ schild verweilt.

Ferner sieht ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vor, daß das Segment hinsichtlich seiner elastischen Eigen­ schaften so ausgebildet ist, daß dieses gegenüber einer Unwucht des Rotors steif und gegenüber thermischen Ver­ formungskräften von Lagerschild und/oder Wälzlager elas­ tisch ist. Eine derartige Ausbildung des elastischen Segments stellt einerseits sicher, daß sich Unwuchten des Rotors nicht in der Richtung auswirken, daß das elastisch deformierbare Segment sich in radialer Richtung defor­ miert, sondern dieses elastisch deformierbare Segment steif bleibt.

Erst das Auftreten von thermischen Verformungskräften, die wesentlich höher sind als die Unwuchten des Rotors, führt dazu, daß sich das elastisch deformierbare Segment in radialer Richtung deformiert und diese thermischen Ver­ formungskräfte ausgleicht.

Insbesondere ist es bei einem Ausführungsbeispiel vorteil­ haft, wenn das in radialer Richtung elastisch deformier­ bare Segment eine geringere Steifigkeit als ein Lager­ außenring des Wälzlagers aufweist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Steifigkeit des in radialer Richtung elastisch deformierbaren Segments nennenswert geringer als die des Lageraußenrings ist, beispielsweise weniger als ungefähr 30% des Lageraußenrings, vorzugsweise ungefähr 20% des Lageraußenrings, beträgt.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Einsatzteil einen Tragring für das Wälzlager aufweist, welcher vor­ zugsweise einen Lageraußenring des Wälzlagers in Form einer Passung aufnimmt.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Einsatzteil ein Halteelement zur Fixierung desselben an dem Lager­ schild aufweist, wobei das Halteelement insbesondere als Flansch ausgebildet ist, um eine einfache Verbindungs­ möglichkeit zwischen Lagerschild und Einsatzteil zu schaffen.

Zweckmäßigerweise ist dabei vorgesehen, daß das Halteele­ ment ein Schraubflansch ist, welcher in einfacher Art und Weise mit dem Lagerschild befestigt werden kann.

Das Einsatzteil ist vorteilhafterweise so ausgebildet, daß das elastisch deformierbare Segment zwischen dem Halteele­ ment und dem Tragring angeordnet ist.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß das deformierbare Segment, das Halteelement und der Tragring ein ein­ stückiges Teil bilden, welches insbesondere aus Metall, hergestellt ist.

Das deformierbare Segment kann dabei in unterschied­ lichster Art und Weise relativ zum Tragring angeordnet sein. Besonders vorteilhaft aus Gründen eines platz­ sparenden Einbaus, ist es, wenn das elastisch deformier­ bare Segment den Tragring in Azimutalrichtung umgreift.

Ferner ist es, um eine ausreichende Dimensionierung des deformierbaren Segments zu ermöglichen, von Vorteil, wenn das elastisch deformierbare Segment den Tragring in axialer Richtung der Rotorachse übergreift, so daß das Einsatzteil ein möglichst kompaktes Bauteil ist, das dennoch eine ausreichende Größe des deformierbaren Segments aufweist.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektromaschine sieht vor, daß der Tragring eine Steifigkeit aufweist, welche in der Größenordnung des Lageraußenrings ist, so daß der Lager­ außenring und der Tragring sich hinsichtlich ihrer Steifigkeit ungefähr gleich verhalten und die radiale Deformation lediglich im Bereich des in radialer Richtung elastisch deformierbaren Segments erfolgt.

Um in radialer Richtung zur Rotorachse durch einfache Mittel eine elastische Deformierbarkeit des Segments zu ermöglichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das elastisch deformierbare Segment einen deformierbaren Wandabschnitt aufweist, welcher sich quer zu einer senk­ recht zur Rotorachse verlaufenden Ebene erstreckt und dabei einerseits mit dem Halteelement und andererseits mit dem Tragring verbunden ist.

Eine besonders kompakte Lösung sieht vor, daß das elas­ tisch deformierbare Segment sich von einer Seite des Tragrings in Richtung zur anderen Seite des Tragrings erstreckt.

Konstruktiv besonders vorteilhaft läßt sich das Einsatz­ teil dann herstellen, wenn das elastisch deformierbare Segment und der Tragring einen im wesentlichen C-förmigen Abschnitt des Einsatzteils bilden, wobei der C-förmige Querschnitt aufgrund der Abrundung der Kanten ein gutes dauerelastisches Verhalten ohne Kerbwirkung gewährleistet.

Das elastisch deformierbare Segment könnte dabei bei­ spielsweise als hohlzylindrischer Ring ausgebildet sein. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das elastisch deformierbare Segment ein bezüglich der Rotorachse sich konisch aufweitender ringförmiger Aus­ schnitt aus einem Kegelmantel ist.

Vorzugsweise ist dabei der konische ringförmige Ausschnitt so ausgebildet, daß er eine Ringwand aufweist, welche in einem Winkel zwischen ungefähr 15 und ungefähr 20° zur Rotorachse verläuft.

Um ferner eine besonders stabile Abstützung des Einsatz­ teils an dem Lagerschild zu erreichen, insbesondere eine gute Zentrierung desselben, ist vorgesehen, daß das Halte­ element eine sich in einer Ausnehmung des Lagerschildes abstützende Zentrierschulter aufweist.

Eine zusätzliche Sicherung des Tragrings gegen axiale Bewegungen ist vorteilhafterweise dadurch erreichbar, daß der Tragring zwischen zwei mit dem Lagerschild verbundenen Stützflanschen im wesentlichen ausschließlich radial beweglich geführt ist.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektromaschine sieht vor, daß diese ein Lagerschild aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, aufweist, dies ist besonders bei einer Elektromaschine, welche für die Fahrzeugtechnik und Luftfahrtechnik geeignet sein soll, von Vorteil.

Da das Wälzlager vorzugsweise aus Stahl hergestellt ist, hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn auch das Einsatzteil aus Stahl hergestellt ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne­ rischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungs­ gemäßen Elektromaschine und

Fig. 2 einen Teilschnitt längs Linie 2-2 in Fig. 1.

Ein Ausführungsbeispiel einer als Ganzes mit 10 bezeich­ neten Elektromaschine umfaßt ein Gehäuse 12, welches seinerseits ein vorderes Lagerschild 14 und ein hinteres Lagerschild 16 aufweist. In den beiden Lagerschilden 14 und 16 ist ein als Ganzes mit 18 bezeichneter Rotor über eine Rotorwelle 20 desselben gelagert.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist zur Lagerung der Rotorwelle 20 ein als Ganzes mit 22 bezeichnetes Wälzlager vorge­ sehen, dessen Lagerinnenring 24 in Form einer Passung fest auf einer zylindrisch zu einer Rotorachse 28 verlaufenden Lagersitzfläche 26 fixiert ist.

Ein über Wälzkörper 32 drehbar mit dem Lagerinnenring 34 verbundener Lageraußenring 30 sitzt seinerseits in einem ein Elastizität in radialer Richtung von derselben Größen­ ordnung wie der Lageraußenring 30 aufweisenden Tragring 34 eines als Ganzes mit 36 bezeichneten Einsatzteils. Der Tragring 34 weist zur Aufnahme des Lageraußenrings 30 vorzugsweise eine innenzylindrische Lagersitzfläche 38 auf, in welcher der Lageraußenring 30 mit einer Außenfläche in Form einer Passung fixiert gehalten ist.

An den Tragring 34 ist einstückig auf seiner dem Lager­ außenring 30 gegenüberliegenden Seite ein in radialer Richtung zur Rotorachse 28 elastisch deformierbares Seg­ ment 40 angeformt, welches sich in Form eines axial­ symmetrisch zur Rotorachse 28 geformten und konisch erweiternden Rings von einer Innenseite 42 des Tragrings 34 ausgehend in Richtung einer Außenseite 44 desselben erstreckt, wobei sich eine als Ausschnitt aus einem Kegelmantel geformte Ringwand 46 desselben mit einem Kegelwinkel zwischen ungefähr 15 und ungefähr 20° bezüglich der Rotorachse 28 zunehmend erweitert.

Dabei ist ein Übergang vom Tragring 34 zur Ringwand 46 im Querschnitt C-förmig ausgebildet und insbesondere eine Innenkante 47 zwischen der Ringwand 46 und dem Tragring 34 gerundet, um eine Kerbwirkung bei Dehnungsbewegungen des Tragrings 34 zu vermeiden.

An dieses elastisch deformierbare Segment 40 schließt sich auf seiner dem Tragring 34 abgewandten Seite eine Zentrierschulter 48 an, welche an einer Innenfläche 49 eines Rotorwellendurchbruchs 50 anliegt, um das Einsatz­ teil 36 hierin zentriert zu halten.

Ferner schließt sich an die Zentrierschulter 46 auf ihrer dem elastischen Segment 40 gegenüberliegenden Seite ein Halteflansch 52 an, welcher eine Frontseite 54 des Lager­ schilds 14, 16 übergreift und mittels Schrauben 56 an dem Lagerschild 14 gehalten ist.

Zur weiteren Abdichtung des Wälzlagers 32 ist an einer Innenseite 58 des Lagerschilds 14, 16 ein Schutzflansch 60 vorgesehen, welcher sich in radialer Richtung zur Welle 26 über das Einsatzteil 36 hinweg erstreckt und radial innen­ liegend eine Ringnut 62 und eine Ringfeder 64 aufweist, welche mit korrespondierenden Elementen 66 und 68 des Rotors 18 eine innere Labyrinthdichtung bilden.

Ferner ist auch auf der Frontseite des Lagerschilds 14, 16 ein Schutzflansch 70 vorgesehen, welcher sich ebenfalls in Richtung der Welle 26 über das Einsatzteil 36 hinweg er­ streckt und endseitig eine Ringnut 72 sowie eine Ringfeder 74 bildet, welche mit korrespondierenden Elementen 76 und 78 eines äußeren drehfest auf der Rotorwelle 20 sitzenden Schutzrings 80 ebenfalls eine Labyrinthdichtung bilden.

Somit ist das Wälzlager 22 in einem nach außen durch die Labyrinthdichtungen drehbar abgedichteten Wälzlagerraum 82 angeordnet, welcher radial nach innen zur Rotorachse 28 durch die Welle 20, zum Inneren des Gehäuses 12 hin durch den Schutzflansch 60 und den Rotor 18 und zur Außenseite des Gehäuses 12 hin durch den Schutzflansch 70 und den Schutzring 80 abgedichtet ist. Radial nach außen ist der Wälzlagerraum 82 durch den Tragring 34 abgedichtet, welcher hierzu dichtend an einer dem Tragring 34 zuge­ wandten Führungsfläche 84 des Schutzflanschs 60 mit der Innenseite 42 und einer dem Tragring 34 zugewandten Füh­ rungsfläche 86 des Schutzflansches 70 mit der Außenseite 44 dichtend, radial zur Rotorachse 28 aber beweglich an­ liegt.

Um eine optimale Abdichtung zwischen der Innenseite 42 und der Führungsfläche 84 zu erhalten, ist in dem Schutz­ flansch 60 noch ein an der Innenseite 42 anliegender Dichtring 88 und in dem Schutzflansch 70 ein an der Außen­ seite 44 anliegender Dichtring 90 vorgesehen, welche je­ weils in einer Nut fixiert sind.

Wärmedehnungen des Wälzlagers 22, insbesondere von dessen Lageraußenring 30 werden nun durch das einstückig ausge­ bildete Einsatzteil 36, welches ebenfalls in gleicher Weise wie das Wälzlager 22 aus Stahl hergestellt ist, dadurch ausgeglichen, daß das elastische Segment 40 mit einem dem Tragring 34 zugewandten Abschnitt seiner radial deformierbaren Ringwand 46 dem Tragring 34 die Möglichkeit gibt, sich mit dem Lageraußenring 30 radial zur Rotorachse 28 nach außen zu dehnen. Hierzu ist vorzugsweise die Dicke der elastischen aus Stahl gefertigten Ringwand 46 des Segments 40 so gewählt, daß sie größenordnungsmäßig 20% einer Dicke das Lageraußenrings 30 beträgt und somit eine Steifigkeit aufweist, die ungefähr ein Fünftel der Steifigkeit des Lageraußenrings 30 beträgt. Damit ist die Ringwand 46 elastischer als der Lageraußenring 30 und gleicht dessen Wärmeausdehnungen relativ um jeweiligen Lagerschild 14, 16 aus. Ferner ist die Ringwand 46 aber gegenüber Unwuchten des Rotors 18 steif und wird daher beim Auftreten derselben nicht deformiert.

Claims (20)

1. Elektromaschine mit einem mindestens ein Lagerschild umfassenden Gehäuse und einem an dem Lagerschild mittels mindestens eines Wälzlagers um eine Rotor­ achse drehbar gelagerten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß das Wälzlager (22) an dem Lagerschild (14, 16) mittels eines Einsatzteils (36) gehalten ist, welches in radialer Richtung zur Rotorachse (28) unterschied­ liche Wärmeausdehnungen von Lagerschild (14, 16) und Wälzlager (22) durch ein in dieser Richtung elastisch deformierbares Segment (40) ausgleicht.

2. Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die elastischen Eigenschaften des Segments (40) axialsymmetrisch zur Rotorachse (28) ausgebildet sind.

3. Elektromaschine nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment (40) hinsichtlich der elastischen Eigenschaften so ausge­ bildet ist, daß dieses gegenüber einer Unwucht des Rotors (18) steif und gegenüber thermischen Verfor­ mungskräften von Lagerschild (14, 16) und/oder Wälzlager (22) elastisch ist.

4. Elektromaschine nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Segment (40) eine geringere Steifigkeit als ein Lageraußenring (30) des Wälzlagers (22) aufweist.

5. Elektromaschine nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzteil (36) einen Tragring (34) für das Wälzlager (22) auf­ weist.

6. Elektromaschinen nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Tragring (34) einen Lageraußenring (30) des Wälzlagers (22) aufnimmt.

7. Elektromaschine nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzteil (36) ein Halteelement (52) zur Fixierung desselben an dem Lagerschild (14, 16) aufweist.

8. Elektromaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Halteelement (52) ein Flansch ist.

9. Elektromaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Halteelement (52) ein Schraubflansch ist.

10. Elektromaschine nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch deformierbare Segment (40) zwischen dem Halteelement (52) und dem Tragring (34) angeordnet ist.

11. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch deformier­ bare Segment (40) den Tragring (34) in azimutaler Richtung umgreift.

12. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch deformier­ bare Segment (40) den Tragring (34) in axialer Rich­ tung der Rotorachse (28) übergreift.

13. Elektromaschine nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch deformierbare Segment (40) einen deformierbaren Wand­ abschnitt (46) aufweist, welcher sich quer zu einer senkrecht zur Rotorachse (28) verlaufenden Ebene erstreckt.

14. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch deformier­ bare Segment (40) sich von einer Seite (42) des Trag­ rings (34) in Richtung zur anderen Seite (44) des Tragrings (34) erstreckt.

15. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch deformier­ bare Segment (40) und der Tragring (34) einen im Querschnitt C-förmigen Abschnitt des Einsatzteils (36) bilden.

16. Elektromaschine nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch deformierbare Segment (40) ein bezüglich der Rotor­ achse (28) sich konisch aufweitender ringförmiger Ausschnitt aus einem Kegelmantel ist.

17. Elektromaschine nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der konische ringförmige Ausschnitt (40) eine Ringwand (46) aufweist, welche in einem Winkel zwischen ungefähr 15 und ungefähr 20° zur Rotorachse (28) verläuft.

18. Elektromaschine nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzteil (36) einstückig ausgebildet ist.

19. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (52) eine sich in einer Ausnehmung (50) des Lagerschildes (14, 16) abstützende Zentrierschulter (48) aufweist.

20. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (34) zwischen zwei mit dem Lagerschild (14, 16) ver­ bundenen Schutzflansche (60, 70) ausschließlich radial beweglich geführt ist.