DE102009028566A1

DE102009028566A1 - Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil

Info

Publication number: DE102009028566A1
Application number: DE102009028566A
Authority: DE
Inventors: Alexander Graf; Rolf Dr. Schmitz
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-02-24

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4) vorgeschlagen, welche als Wälzlager (6) zur drehenden Lagerung des Bauteils (4) ausgeführt ist, wobei die elektrische Energie im Wälzlager (6) aus der Drehbewegung des mittels des Wälzlagers (6) gelagerten Bauteils (4) erzeugt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In fast allen Industriezweigen wird die Übertragung von Energie, Signalen und Daten von einem rotierenden auf ein ortsfestes Bauteil benötigt. Hierbei ermöglichen statische Verbindungen, wie es bei der Verwendung von Kabelschleppen der Fall ist, nur einen eingeschränkten Bewegungsradius des rotierenden Bauteils in Bezug auf das ortsfeste Bauteil. Dahingegen wird durch den Einsatz von Schleifringen und Drehübertragern eine kontinuierliche Drehbewegung des rotierenden Bauteils um 360° ermöglicht. Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, zur Übertragung hoher Datenraten und großer Leistungen kontaktlose Technologien einzusetzen.
Hierbei werden oft kapazitive oder optische Systeme verwendet, um digitale Daten bei hoher Bitrate auf ein rotierendes Bauteil zu übertragen; die erzielbaren Datenraten liegen in der Größenordnung von 10 Gbit/s. Ferner ist bekannt, zur Übertragung von elektrischer Leistung ein Übertragungssystem basierend auf dem Prinzip eines induktiven Serienresonanz-Konverters zu verwenden, wodurch Leistungen von wenigen mW im Fall der Medizintechnik bis zu einigen kW für industrielle Anwendungen übertragen werden.
Zudem ist bekannt, die kontaktlose Energieübertragung mit der kontaktlosen Datenübertragung üblicher Datenbusse wie z. B. CAN-Bus, Profibus, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet und EtherCAT zu kombinieren. Typische Anwendungsgebiete dieser Technologien sind beispielsweise Drehtische und jegliche Art von Industrierobotern, die ihre Bewegungen millionenfach mit hoher Präzision wiederholen müssen.
In nachteiliger Weise ist bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten zur Übertragung von Energie, Signalen und Daten von einem rotierenden auf ein ortsfestes Bauteil erforderlich, so dass die Energie- und Datenleitung von außen über eine Kabelanbindung dem jeweiligen Drehübertrager zugeführt werden muss.
Aus der DE 10 2007 009 093 A1 ist ein Wälzlager bekannt, welches eine erste Lauffläche und eine zweite Lauffläche sowie einen zwischen den Laufflächen angeordneten Wälzkörper aufweist, wobei auf dem Wälzkörper ein RFID-Tag angeordnet ist, wodurch eine drahtlose Abfrage von Daten ermöglicht wird. Hierbei ist mindestens ein Sensor mit dem RFID-Tag verbunden oder in diesen integriert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil, beispielsweise an einer drehend gelagerten Welle anzugeben, durch die auf dem Bauteil angeordnete elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden können. Dadurch sollen die aus dem Stand der Technik erforderlichen Drehübertrager und die benötigten Zuleitungen entfallen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil vorgeschlagen, welche als Wälzlager zur drehenden Lagerung des Bauteils ausgeführt ist, wobei die elektrische Energie im Wälzlager aus der Drehbewegung des mittels des Wälzlagers gelagerten Bauteils, das als Welle ausgeführt sein kann, erzeugt wird.
Gemäß der Erfindung sind die zwischen dem Außenlager und dem Innenlager angeordneten Rollkörper des Wälzlagers permanent magnetisiert ausgeführt und weisen mindestens einen Nordpol N und einen Südpol S auf, wobei in das Innenlager oder in das Außenlager zumindest eine induktive Windung integriert ist. Durch die Drehbewegung des mittels des Wälzlagers gelagerten Bauteils, welches z. B. für den Fall einer Welle mit dem Innenlager fest verbunden sein kann, werden die Rollkörper in Rotation versetzt, wobei aufgrund deren Magnetpolanordnung ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt wird, welches gemäß der Lenz’schen Regel zu der zumindest einen induktiven Windung des Innenlagers bzw. des Außenlagers eine elektrische Spannung induziert.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption der Erzeugung von elektrischer Energie direkt an dem sich drehenden Bauteil können Systeme, wie z. B. Sensoren und Aktuatoren, die auf dem drehend gelagerten Bauteil angeordnet sind, versorgt werden. Dadurch entfällt in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit eines Drehübertragers und der benötigten Zuleitungen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Wälzlager sich eine sehr bauraumsparende Anordnung ergibt, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in enge Bauräume integriert werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Gleiche bzw. vergleichbare Bauteile sind dabei auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines gemäß der Erfindung ausgeführten Kugellagers, welches auch der Erzeugung von elektrischer Energie dient;
2 eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Kugellagers im aufgefalteten Zustand zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie;
3 eine schematische Darstellung des Innenlagers eines gemäß der Erfindung ausgeführten Kugellagers im aufgefalteten Zustand zur Veranschaulichung einer möglichen Ausführung der induktiven Windungen; und
4 eine schematische Schnittansicht einer mittels eines erfindungsgemäß ausgeführten Kugellagers drehbar gelagerten Welle, auf der eine von der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung vom elektrischer Energie mit Strom versorgbare Funkeinheit angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie als Wälzlager ausgeführt, wobei die Erzeugung elektrischer Energie im Wälzlager aus der Drehbewegung des mittels des Wälzlagers gelagerten Bauteils, das als Welle ausgeführt sein kann, ermöglicht wird.
In 1 ist ein Kugellager 6 gezeigt, welches ein Außenlager 1, als Kugeln ausgeführte Rollkörper 2 und ein Innenlager 3 aufweist, mittels dessen eine mit dem Innenlager 3 drehfest verbundene Welle 4 drehbar gelagert ist. Gemäß der Erfindung sind die Rollkörper 2 permanent magnetisiert ausgeführt und weisen mindestens einen Nordpol N und einen Südpol S auf. Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in das Innenlager 3 zumindest eine induktive Windung 5 integriert ist, wie anhand 2 und 3 veranschaulicht.
Die Funktionsweise der Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie ist wie folgt: Durch die Drehbewegung der Welle 4 werden die Rollkörper 2 des Lagers 6 in Rotation versetzt, wobei aufgrund deren Magnetpolanordnung ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt wird, welches nach der Lenz’schen Regel darin resultiert, dass in den induktiven Windungen 5 im Innenlager 3 eine elektrische Spannung induziert wird.
Das entsprechende Funktionsprinzip ist Gegenstand der 2. Hierbei gleitet das die induktiven Windungen 5 aufweisende Innenlager 3 auf den permanent magnetisiert ausgeführten Rollkörpern 2 über das ortsfest angeordnete Außenlager 1. Wie bereits erläutert, wird durch die Rotation der Rollkörper ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt, welches in den induktiven Windungen 5 des Innenlagers 3 eine elektrische Spannung U induziert.
Gemäß der Erfindung kann durch die Verwendung mehrerer unabhängiger induktiver Windungen 5 bzw. Leiterschleifen ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden. Hierbei können die induktiven Windungen 5 mittels einer Gleichrichterschaltung zu einem konstanten Potential zusammengefasst werden, wobei jede induktive Windung 5 zur Gesamtleistung beiträgt. Die Schaltkreise zur Glättung der induzierten Spannung U der Vorrichtung können außerhalb des Innenlagers 3, beispielsweise auf dem drehend gelagerten Bauteil, das in den Figuren als Welle 4 ausgeführt ist, angebracht werden.
Gegenstand der 4 ist ein Gesamtsystem umfassend eine mittels eines erfindungsgemäß ausgeführten Wälzlagers 6 drehend gelagerten Welle 4, auf der eine mit im Wälzlager 6 erzeugtem Strom versorgbare Funkeinheit 7 angeordnet ist. Nach dem Stand der Technik muss die zum Betrieb der Funkeinheit 7 benötigte Energie drahtlos oder über Schleifringe zur Verfügung gestellt werden, was in im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Lösung nachteiliger Weise zusätzliche Bauraum benötigende Komponenten erfordert.
Des Weiteren können mit Hilfe der im Wälzlager 6 generierten Energie Sensoren oder Aktuatoren betrieben werden, was beispielsweise die Umsetzung eines drahtlosen Drehmomentsensors in engen Bauräumen ermöglicht.
Bei den gezeigten Beispielen sind die induktiven Windungen in das Innenlager integriert. Es ist jedoch gemäß der Erfindung möglich, die induktiven Windungen in das Außenlager zu integrieren, wenn z. B. das drehend gelagerte Bauteil mit dem Außenlager fest verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Außenlager
2: Rollkörper
3: Innenlager
4: Welle
5: induktive Windung
6: Wälzlager
7: Funkeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007009093 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), dadurch gekennzeichnet, dass sie als Wälzlager (6) zur drehenden Lagerung des Bauteils (4) ausgeführt ist, wobei die elektrische Energie im Wälzlager (6) aus der Drehbewegung des mittels des Wälzlagers (6) gelagerten Bauteils (4) erzeugt wird.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Innenlager (3) und einem Außenlager (1) des Wälzlagers (6) angeordnete Rollkörper (2) permanent magnetisiert ausgeführt sind und dass in das Innenlager (3) oder in das Außenlager (1) zumindest eine induktive Windung (5) integriert ist, wobei durch die Drehbewegung des drehend gelagerten Bauteils (4) die Rollkörper (2) des Wälzlagers (6) in Rotation versetzbar sind, wobei aufgrund deren Magnetpolanordnung ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugbar ist, welches in der zumindest einen induktiven Windung (5) des Innenlagers (3) bzw. des Außenlagers (1) eine elektrische Spannung (U) induziert.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das Innenlager (3) bzw. in das Außenlager (1) mehrere induktive Windungen (5) integriert sind und diese mittels einer Gleichrichterschaltung zu einem konstanten Potential zusammengefasst werden.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreise zur Glättung der erzeugten induzierten Spannung (U) außerhalb des Innenlagers (3) bzw. des Außenlagers (1) angebracht sind.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreise zur Glättung der erzeugten induzierten Spannung (U) auf dem drehend gelagerten Bauteil (4) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das drehend gelagerte Bauteil (4) als Welle ausgeführt ist, welche mit dem Innenlager (3) drehfest verbunden ist, wobei die zumindest eine induktive Windung (5) in das Innenlager (3) integriert ist.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (6) als Kugellager ausgeführt ist.