DE102006057775A1

DE102006057775A1 - Lagersystem für elektrische Maschinen, insbesondere für Rauch- und Wärmeabzugsanlagen

Info

Publication number: DE102006057775A1
Application number: DE102006057775A
Authority: DE
Inventors: Klaus Büttner; Norbert WÖHNER
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-06-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lagersystem (1) mit einem Lager (5), wobei das Lager (5) Wälzelemente (2), die radial durch einen Lagerinnenring (3) und einen Lageraußenring (4) positioniert sind, aufweist, und einem ersten (6) und zumindest einem zweiten Schmiermittel (7) zur Schmierung des Lagers (5), wobei das erste Schmiermittel (6) für einen ersten Temperaturbereich und das zweite Schmiermittel (7) für einen zweiten Temperaturbereich vorgesehen sind und wobei eine Verdrängung des ersten Schmiermittels (6) durch das zweite Schmiermittel (7) bei einem Übergang von dem ersten Temperaturbereich in den zweiten Temperaturbereich erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lagersystem für elektrische Maschinen, insbesondere für Rauch- und Wärmeabzugsanlagen. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Schmierung eines Lagers.
Rauch- und Wärmeabzugsanlagen, wie beispielsweise Ventilatoren, Gebläse und Brandgasmotoren, sowie deren Antriebe, die insbesondere als elektrische Maschinen ausgebildet sind, werden unter anderem bei der Be- oder Entlüftung von Tunnels benötigt. Bei Bränden sorgen diese Anlagen dafür, die entstehenden Rauchgase in Freie zu blasen, um so die Rettung und Brandbekämpfung zu ermöglichen. Derartige Anlagen werden insbesondere als Brandgasmotoren oder Brandgasventilatoren bezeichnet. Dabei sind die Anforderungen, dass ein derartiger Brandgasmotor, also eine elektrische Maschine inklusive Gebläse, mit ihrem Lagersystem bei ca. 400°C Umgebungstemperatur zwei Stunden funktionsfähig bleiben muss. Die Brandgasmotoren bzw. Brandgasventilatoren befinden sich dabei oft mitten im Brandabschnitt und sind dabei extremen Bedingungen ausgesetzt. Die direkte Umgebungsluft kann dabei Spitzentemperaturen von 600°C bis 1100°C erreichen.
Damit die Ventilatoren trotzdem noch die in Normen festgelegten Zeiten funktionsfähig sind, müssen unter anderem die Lager der Ventilatoren und der elektrischen Maschinen, die als Antriebsmotoren eingesetzt werden, extrem hitzebeständig sein. Um dies zu erreichen, wird im Wesentlichen der Motor mit einer Statorwicklung ausgerüstet, die diese hohen Temperaturen für die geforderte Zeit übersteht. Kritisch ist insbesondere die Lagerung der elektrischen Antriebsmaschine und der Lüfter, da die für den Normalbetrieb ausgelegte Lagerung in dieser Zeit Notlauf-Eigenschaften aufweisen muss. Das eingesetzte Schmiermittel, z. B. Schmierfett, wird bei diesen ho hen Temperaturen flüssig oder bildet Feststoffe oder Abbauprodukte. Hierdurch wird die Lagerung geschädigt, und es kann zum vorzeitigen Ausfall des Brandgasmotors kommen.
Aus der DE 102 55 374 A1 ist ein Lagersystem für Ventilatoren und elektrische Maschinen bekannt, wobei ein Wälzlager einen Lagerkäfig aufweist, der massiv ausgeführt ist, wodurch ein vorzeitiger Bruch des Lagerkäfigs, wie er bei geblecht ausgeführten Lagerkäfigen auftritt, verhindert wird. Dadurch wird eine Blockierung des Lagers verhindert oder zumindest dementsprechend lange verzögert. Dabei wird jedoch vorausgesetzt, dass sich das für den Normalbetrieb vorhandene Schmiermittel aufgrund der hohen Temperaturen verflüssigt und von selbst aus der Lagerung herausläuft.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Lagersystem zu schaffen, welches einen sicheren Betrieb eines Brandgasmotors bzw. Brandgasventilators, insbesondere bei hohen Temperaturen, gewährleistet. Ferner soll eine elektrische Maschine geschaffen werden, die diesen erhöhten Temperaturanforderungen standhält. Des Weiteren sollen Verfahren zur Schmierung von Lagern, die in Brandgasmotoren angeordnet sind, bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 12, 14 und 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Lagersystem weist Wälzelemente auf, die radial durch einen Lagerinnenring und einen Lageraußenring positioniert sind. Das eigentliche Lager des Lagersystems ist somit als Wälzlager, insbesondere als Kugellager oder Rollenlager, ausgebildet. Des Weiteren weist das Lagersystem ein erstes und zumindest ein zweites Schmiermittel zur Schmierung auf, wobei die Schmiermittel der Schmierung des Lagers dienen. Jedes Schmiermittel ist dabei für einen bestimmten, ihm zugeordneten, Temperaturbereich vorgesehen. Beispielsweise ist das erste Schmiermittel für einen ersten Temperaturbereich und das zweite Schmiermittel für einen zweiten Temperaturbereich vorgesehen. Erfindungsgemäß wird das erste Schmiermittel durch das zweite Schmiermittel bei einem Übergang von dem ersten Temperaturbereich in den zweiten Temperaturbereich verdrängt.
Der erste Temperaturbereich umfasst vorzugsweise einen Normaltemperaturbereich, d. h. normale Umgebungstemperaturen, beispielsweise in einem Tunnel, mit Temperaturen von –30°C bis zu +100°C. Für diesen Normaltemperaturbereich ist das erste Schmiermittel vorgesehen, welches für diesen Temperaturbereich funktionsfähig ausgelegt ist. Das erste Schmiermittel ist als Standardschmiermittel ausgelegt, wobei es sich um handelsübliche Wälzlagerfette oder andere Schmierfette handelt, wie beispielsweise lithiumverseiftes Mineralöl.
Der zweite Temperaturbereich umfasst einen Hochtemperaturbereich mit Temperaturen, die über +100°C liegen. Der Hochtemperaturbereich kennzeichnet die Temperaturen, die insbesondere bei einem Brandfall vorherrschen. Brandgasmotoren bzw. Brandgasventilatoren müssen mit Lagersystem bei ca. +400°C Umgebungstemperatur zwei Stunden funktionsfähig bleiben. Für den Hochtemperaturbereich ist das zweite Schmiermittel vorgesehen, welches für diesen Temperaturbereich funktionsfähig ausgelegt ist. Bei dem zweiten Schmiermittel handelt es sich um Hochtemperaturfette, beispielsweise auf der Basis von Graphit oder auf Basis perfluorierter Polyether (PFPE).
In Abhängigkeit der vorherrschenden Umgebungstemperatur, wird das Lager, bzw. werden die Lager, des Brandgasmotors entsprechend geschmiert. Bei normalen Umgebungstemperaturen wird der Motor mittels des normalen Schmiermittels geschmiert und bei hohen Temperaturen, d. h. insbesondere im Brandfall, wird das Lager durch ein Hochtemperaturschmiermittel geschmiert.
Das für den Normalbetrieb vorhandene Schmiermittel wird im Brandfall durch ein speziell angepasstes Hochtemperaturschmiermittel ersetzt, bevor eine Schädigung der Lagerung und somit u. U. ein Ausfall des Motors erfolgen kann. Dabei wird das erste Schmiermittel, d. h. das Normaltemperaturschmiermittel, aufgrund einer thermischen Expansion des zweiten Schmiermittels ersetzt und/oder verdrängt. Die Verdrängung funktioniert aufgrund verschiedener thermischer Eigenschaften der verschiedenen Schmiermittel, wie beispielsweise unterschiedliche Viskositäten bei der gleichen Temperatur. Tritt beispielsweise der Brandfall ein, wird das Normaltemperaturschmiermittel bei den hohen Temperaturmitteln flüssig oder bildet Feststoffe oder Abbauprodukte. Dagegen weist das Hochtemperaturschmiermittel gerade bei diesen hohen Temperaturen optimale Schmierstoffeigenschaften auf.
Vorteilhafterweise weist das Lagersystem ein Depot auf, das in der Nähe des Wälzlagers angeordnet ist. In diesem Depot ist zumindest das zweite Schmiermittel, d. h. das Hochtemperaturschmiermittel, angeordnet. Es können aber auch weitere Schmiermittel, d. h. ein drittes oder ein viertes, im Depot angeordnet sein. Weitere dritte oder vierte Schmiermittel können beispielsweise für weitere Temperaturbereiche vorgesehen sein.
Das Depot ist vorzugsweise so angeordnet, dass eine Verdrängung des sich im Lager befindlichen Schmierstoffs nicht in Richtung des elektrischen Motors, beispielsweise des Rotors oder Stators erfolgt, sondern weg von dem eigentlichen Motor erfolgt. Dadurch wird sichergestellt, dass das im Lager befindliche Schmiermittel bei hohen Temperaturen nicht in den Rotor oder in den Stator läuft oder hineingedrängt wird und somit den Motor in seiner Funktionsfähigkeit einschränkt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Lagersystem zusätzlich zu den zumindest zwei Schmiermitteln ein expandierendes Material auf, welches im Depot angeordnet ist. In diesem Fall sind in dem Depot das zweite Schmiermittel und das expandierende Material angeordnet. Bei dieser Ausführungsform presst das expandierende Material den für den Hochtemperaturbetrieb notwendigen Schmierstoff in das Lager, wo durch gleichzeitig der Niedertemperaturschmierstoff entfernt wird, d. h. aus dem Lager herausgedrückt wird.
Ist kein expandierendes Material im Depot vorhanden, ist der zweite Schmierstoff so ausgelegt, dass er selbst in das Lager expandiert und das erste Schmiermittel verdrängt und/oder ersetzt. Ist das zweite Schmiermittel so ausgelegt, dass es selbst expandiert, so weist es ein oder mehrere Schmiermittel-Additive auf, wobei diese Additive vorzugsweise Blähgraphit oder Keramiken sind.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist so ausgelegt, dass sie ein Lagersystem mit einem ersten und zumindest einem zweiten Schmiermittel aufweist, wobei die Schmiermittel für verschiedene Temperaturbereiche vorgesehen sind und wobei eine Verdrängung des ersten Schmiermittels durch das zweite Schmiermittel bei einem Übergang von dem ersten Temperaturbereich in den zweiten Temperaturbereich erfolgt. Auch die anderen Komponenten der elektrischen Maschine, wie beispielsweise Rotor, Stator, Wicklungen, müssen die genannten Anforderungen an die hohen Temperaturen in einem Brandfall ebenso erfüllen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Schmierung eines Lagers mit einem ersten und zumindest einem zweiten Schmiermittel, wobei das erste Schmiermittel für einen ersten Temperaturbereich und das zweite Schmiermittel für einen zweiten Temperaturbereich vorgesehen ist, weist folgenden Verfahrensablauf auf: Während des ersten Temperaturbereichs (Normaltemperaturbereich) wird das Lager mit dem ersten Schmiermittel geschmiert und das zweite Schmiermittel befindet sich in einem Depot in der Nähe des Lagers. Bei Einsetzen des zweiten Temperaturbereichs (Hochtemperaturbereich) expandiert das zweite Schmiermittel in das Lager und verdrängt oder ersetzt das erste Schmiermittel, so dass das Lager während des zweiten Temperaturbereichs von dem zweiten Schmiermittel geschmiert wird.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Schmierung eines Lagers ist neben zumindest zwei Schmiermitteln ein expandierendes Material vorgesehen, wobei hier das zweite Schmiermittel nicht selbst in das Lager expandiert, sondern durch das expandierende Material, welches sich mit dem zweiten Schmiermittel im Depot befindet, in das Lager gepresst wird und somit das erste Schmiermittel verdrängt oder ersetzt.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und das erfindungsgemäße Lagersystem können dahingehend erweitert werden, dass weitere Schmiermittel und/oder weitere expandierende Materialien vorgesehen sind, so dass das Verfahren auch für mehrere Temperaturbereiche eingesetzt werden kann.
In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagersystems in einer ersten Ansicht;
2 die erste Ausführungsform gemäß 1 in einer zweiten Ansicht;
3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagersystems in einer ersten Ansicht; und
4 die zweite Ausführungsform gemäß 3 in einer zweiten Ansicht.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagersystems 1 in einer ersten Ansicht. Das Lagersystem 1 weist Wälzelemente 2 auf, die radial durch einen Lagerinnenring 3 und einen Lageraußenring 4 positioniert sind. Das Lager 5 des Lagersystems 1 ist als Wälzlager, insbesondere als Kugellager oder Rollenlager, ausgebildet.
Des Weiteren weist das Lagersystem 1 ein erstes Schmiermittel 6 und zumindest ein zweites Schmiermittel 7 zur Schmierung des Lagers 5 auf. Jedes Schmiermittel 6, 7 ist für einen bestimmten, ihm zugeordneten, Temperaturbereich vorgesehen.
Das Lagersystem 1 weist das Depot 8 auf, das in axialer Richtung neben dem Wälzlager 5 angeordnet ist. Im Depot 8 ist das zweite Schmiermittel 7, d. h. das Hochtemperaturschmiermittel, angeordnet. Das Depot 8 ist derart angeordnet, dass eine Verdrängung des sich im Lager 5 befindlichen Schmierstoffs 6 nicht in Richtung eines nicht dargestellten elektrischen Motors, sondern weg von dem eigentlichen Motor erfolgt. Dadurch wird sichergestellt, dass das im Lager 5 befindliche Schmiermittel 6 bei hohen Temperaturen nicht in den Motor hineingedrängt wird und somit den Motor in seiner Funktionsfähigkeit einschränkt. Das Depot 8 ist beispielsweise ringförmig ausgebildet und befindet sich zwischen einem Lagerschild 9 und dem Lager 5. Das Depot 8 kann sich dabei ringförmig über den gesamten Umfang um die Welle 10 oder auch nur abschnittsweise in Umfangrichtung erstrecken.
2 zeigt die erste Ausführungsform gemäß 1 in einer zweiten Ansicht. 2 zeigt, dass sich das zweite Schmiermittel 7 im Lager 5 befindet. Das erste Schmiermittel 6 wurde aus dem Lager 5 gedrängt. Das erste Schmiermittel 6 ist durch das zweite Schmiermittel 7 beim Übergang von dem ersten Temperaturbereich in den zweiten Temperaturbereich verdrängt und ersetzt worden.
Während des ersten Temperaturbereichs (Normaltemperaturbereich) wird das Lager 5 mit dem ersten Schmiermittel 6 geschmiert (siehe 1) und das zweite Schmiermittel 7 befindet sich im Depot 8 axial neben dem Lager 5. Bei Einsetzen des zweiten Temperaturbereichs (Hochtemperaturbereich) expandiert das zweite Schmiermittel 7 in das Lager 5 und verdrängt oder ersetzt das erste Schmiermittel 6, so dass das Lager 5 während des zweiten Temperaturbereichs von dem zweiten Schmiermittel 7 geschmiert wird (siehe 2).
3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagersystems 1 in einer ersten Ansicht. Das Lagersystem 1 weist Wälzelemente 2, Lagerinnenring 3 und Lageraußenring 4 auf, welche das Lager 5 bilden. Weiterhin sind das Lagerschild 9 und die Welle 10 gezeigt. Das Lagersystem 1 weist zusätzlich zu den zwei Schmiermitteln 6, 7 ein expandierendes Material 11 auf, welches zusammen mit dem zweiten Schmiermittel 7 im Depot 8 angeordnet ist.
4 zeigt die zweite Ausführungsform gemäß 3 in einer zweiten Ansicht. 4 zeigt, dass sich das zweite Schmiermittel 7 im Lager 5 befindet und das Depot 8 das expandierende Material 11 beinhaltet. Das erste Schmiermittel 6 ist durch das zweite Schmiermittel 7 beim Übergang von dem ersten Temperaturbereich in den zweiten Temperaturbereich verdrängt und ersetzt worden, wobei die Verdrängung durch das expandierende Material 11 erfolgt.
Gemäß der zweiten Ausführungsform presst das expandierende Material 11 den für den Hochtemperaturbetrieb notwendigen Schmierstoff 7 in das Lager 5, wodurch gleichzeitig der Niedertemperaturschmierstoff 6 entfernt wird, d. h. aus dem Lager herausgedrückt wird.
In allen 1 bis 4 stellt die Welle 10 eine Rotationsachse dar, so dass das oberhalb der Welle 10 gezeigte Lagersystem 1 und Lagerschild 9 in einer vollständigen Darstellung auch unterhalb der Welle 10 gespiegelt darzustellen sind.

Claims

Lagersystem (1) mit einem Lager (5), wobei das Lager (5) Wälzelemente (2), die radial durch einen Lagerinnenring (3) und einen Lageraußenring (4) positioniert sind, aufweist, und einem ersten (6) und zumindest einem zweiten Schmiermittel (7) zur Schmierung des Lagers (5), wobei das erste Schmiermittel (6) für einen ersten Temperaturbereich und das zweite Schmiermittel (7) für einen zweiten Temperaturbereich vorgesehen sind, und wobei eine Verdrängung des ersten Schmiermittels (6) durch das zweite Schmiermittel (7) bei einem Übergang von dem ersten Temperaturbereich in den zweiten Temperaturbereich erfolgt.
Lagersystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Verdrängung des ersten Schmiermittels (6) aufgrund einer thermischen Expansion des zweiten Schmiermittels (7) erfolgt.
Lagersystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lagersystem (1) zumindest ein Depot (8) aufweist, welches in der Nähe des Lagers (5) angeordnet ist, und wobei zumindest das zweite Schmiermittel (7) im Depot (8) angeordnet ist.
Lagersystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Lagersystem (1) ein expandierendes Material (11) aufweist, welches im Depot angeordnet ist.
Lagersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdrängung des ersten Schmiermittels (6) aufgrund einer thermischen Expansion des expandierenden Materials (11) erfolgt.
Lagersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Temperaturbereich einen Normaltemperaturbereich mit Temperaturen von –30°C bis +100°C umfasst.
Lagersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Temperaturbereich einen Hochtemperaturbe reich mit Temperaturen von über +100°C umfasst.
Lagersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Schmiermittel (6) für den ersten Temperaturbereich funktionsfähig ausgelegt ist.
Lagersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Schmiermittel (7) für den zweiten Temperaturbereich funktionsfähig ausgelegt ist.
Lagersystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das zweite Schmiermittel (7) expandierende Additive aufweist.
Lagersystem (1) nach Anspruch 10, wobei die Additive Blähgraphit oder Keramik sind.
Elektrische Maschine mit zumindest einem Lagersystem (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Maschine nach Anspruch 12, wobei die elektrische Maschine für Rauch- und Wärmeabzugsanlagen, insbesondere Ventilatoren, Gebläse und Brandgasmotoren, vorgesehen ist.
Verfahren zur Schmierung eines Lagers (5) mit einem ersten Schmiermittel (6) und zumindest einem zweiten Schmiermittel (7), wobei das erste Schmiermittel (6) für einen ersten Temperaturbereich und das zweite Schmiermittel (7) für einen zweiten Temperaturbereich vorgesehen sind, wobei das erste Schmiermittel (6) während des ersten Temperaturbereichs zur Schmierung des Lagers (5) und das zweite Schmiermittel (7) in einem Depot (8) angeordnet sind, und bei Einsetzen des zweiten Temperaturbereichs das zweite Schmiermittel (7) in das Lager (5) expandiert und das erste Schmiermittel (6) verdrängt und/oder ersetzt, so dass das Lager (5) während des zweiten Temperaturbereichs von dem zweiten Schmiermittel (7) geschmiert wird.
Verfahren zur Schmierung eines Lagers (5) mit einem ersten Schmiermittel (6) und zumindest einem zweiten Schmiermittel (7) und einem expandierenden Material (11), wobei das erste Schmiermittel (6) für einen ersten Temperaturbereich und das zweite Schmiermittel (7) für einen zweiten Temperaturbereich vorgesehen sind, wobei das erste Schmiermittel (6) während des ersten Temperaturbereichs zur Schmierung des Lagers (5) und das zweite Schmiermittel (7) und das expandierende Material (11) in einem Depot (8) angeordnet sind, und bei Einsetzen des zweiten Temperaturbereichs das expandierende Material (11) das zweite Schmiermittel (7) aus dem Depot (8) in das Lager (5) presst und das erste Schmiermittel (6) verdrängt und/oder ersetzt, so dass das Lager (5) während des zweiten Temperaturbereichs von dem zweiten Schmiermittel (7) geschmiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Lager (5) Wälzelemente (2), die radial durch einen Lagerinnenring (3) und einen Lageraußenring (4) positioniert sind, aufweist.