CN106460940B - 旋转变压器轴承、旋转变压器定子及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转变压器轴承(01)，带有用于探测轴承圈(02、03)的角度位置的角度传感器(04)。角度传感器(04)包括与两个轴承圈(02、03)中的一个连接的环形的旋转变压器定子(06)，旋转变压器定子具有至少一个发送线圈和至少一个接收线圈，它们实施为多层印制电路板(07)上的经印制的电路，其中，发送线圈至少局部布置在U形罐形磁芯(13)内部，而接收线圈局部布置在罐形磁芯(13)内部且局部布置在罐形磁芯外部。角度传感器(04)还具有与两个轴承圈(02、03)中的另一个抗相对转动地连接的旋转变压器转子(15)，旋转变压器转子包括能导磁的部件，其中，旋转变压器转子(15)至少局部布置在U形罐形磁芯(13)内部。能通过磁回路在发送线圈与接收线圈之间传递信号。通过旋转变压器转子(15)给定了在磁回路中的与角度位置相关的可变磁阻。按本发明的旋转变压器轴承(01)的出众之处在于，罐形磁芯(13)由集成到多层的印制电路板(07)中的能导磁的结构形成。

Description

旋转变压器轴承、旋转变压器定子及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种旋转变压器轴承和一种旋转变压器定子。此外，本发明还涉及一种用于制造旋转变压器定子的方法。
背景技术
旋转变压器通常指的是电磁的测量变换器，用于将转子的角度定位转化成电参数。包括带有集成的角度传感器的滚动轴承的装置被称为旋转变压器轴承。
WO 2014/037004 A1示出了一种旋转变压器轴承，其带有内圈、外圈和滚动体，滚动体布置于形成在轴承圈之间的环形室内。两个圆环片用于密封环形室，这两个圆环片分别与两个轴承圈中的其中一个抗相对转动地(drehfest)连接。在环形室中布置有初级线圈和次级线圈。为了对由初级线圈在轴承中产生的磁通进行调制，圆环片分别配备有由导磁材料制成的区段。相应的磁回路的磁阻由于区段在转动过程中的可变的相互重叠而变化。每一个磁回路都具有两个圆环片、作为初级线圈和次级线圈的分别围绕旋转轴线延伸的环形线圈、导磁的轴承圈和另一个由导磁材料制成的设在轴承圈之间的构件(滚动体、短路金属板(Kurzschlussblech))。
WO 2011/134955 A2示出了一种带有角度传感器的滚动轴承装置以及一种用于装配这种带有角度传感器的滚动轴承装置的方法。角度传感器具有传感器环，传感器环抗相对转动地与外圈连接，以及还具有测量实体，其构造为相对滚动轴承的旋转轴线偏心的金属环并且抗相对转动地与内圈连接。传感器环具有环形的、与滚动轴承的旋转轴线同心的U形的罐形磁芯作为金属的部件。由合成材料制成的、固定在外圈中的环绕的槽中的保持元件用于在外圈上保持罐形磁芯以及传感器环。由金属板制成的支撑环径向地位于保持元件外部，该支撑环止挡在外圈的端侧上并且用作装配辅助器件以及充当角度传感器的机械保护部。在支撑环的内部的周面与保持元件之间构造有用于容纳传感器环的环形室。传感器环具有发送线圈，发送线圈处在与滚动轴承的端侧平行的平面中且完全布置在罐形磁芯的U形型材内部。发送线圈构造为多层电路板上的经印制的电路。不同的接收线圈与发送线圈配合作用。其中每一个接收线圈都局部布置在罐形磁芯的U形型材内部且局部布置在该罐形磁芯的U形型材外部。接收线圈与发送线圈类似地设计成经印制的电路。在发送线圈与接收线圈之间可以通过磁回路传递信号，其中，发送线圈布置在U形的罐形磁芯内部，该罐形磁芯形成了磁回路的一部分。通过测量实体给定了在磁回路中的可变的磁阻。用作测量实体的金属环闭合了在U形的罐形磁芯的腿部之间的磁回路。所描述的角度传感器由多个单独的部件构成，这造成了高成本的制造(保持制造公差)以及高成本的安装。此外，被视作不利的是，这样集成在滚动轴承上的角度传感器显著扩宽了滚动轴承沿旋转轴线方向的结构宽度，因而需要更多的结构空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种旋转变压器轴承，其具有简单的构型，能低耗费地制造，所需要的结构空间小且特别是也能实现更为精确的角度测量。此外，还应提供一种旋转变压器定子和一种用于制造该旋转变压器定子的方法。
按本发明所述的旋转变压器轴承用于解决本发明所要解决的技术问题。
按本发明的旋转变压器轴承包括轴承内圈、轴承外圈、布置在轴承圈之间的滚动体以及用于探测轴承圈彼此间的相对的角度位置的角度传感器。角度传感器包括与两个轴承圈中的其中一个连接的环形的旋转变压器定子，旋转变压器定子带有至少一个发送线圈和至少一个接收线圈，至少一个发送线圈和至少一个接收线圈实施为多层印制电路板上的经印制的电路，其中，发送线圈至少局部布置在U形的罐形磁芯内部，而接收线圈局部布置在罐形磁芯内部且局部布置在罐形磁芯外部。旋转变压器定子的另一个组成部分是与两个轴承圈中的另一个抗相对转动地连接的旋转变压器转子，旋转变压器转子包括能导磁的部件，其中，旋转变压器转子以如下方式构造为环形件，即，使得在环形件的内直径与外直径之间的差在圆周上是不同的。旋转变压器转子至少局部布置在U形的罐形磁芯内部。旋转变压器转子的旋转轴线延伸穿过旋转变压器定子的中点。因此信号能通过磁回路在发送线圈与接收线圈之间传递。通过旋转变压器转子给定了在磁回路中的与角度位置相关的可变的磁阻，磁阻的变化可以被评估。此外，对本发明重要的是，罐形磁芯由能导磁的结构来形成，能导磁的结构与多层的印制电路板一体式地构造。
按本发明的旋转变压器轴承的重要的优势在于，通过实现出形式为能导磁的结构的罐形磁芯，使罐形磁芯变成已经被用于实现线圈的多层的印制电路板的组成部分。传统的多层的印制电路板与印制电路板内的能导磁的结构的组合允许了完全在常规的印制电路板制造中制造旋转变压器定子。在此可以使用公知的以及很早就通过实验确定的用于制造电的印制电路板的技术，因此实现了高效的生产。由此降低了生产费用。在旋转变压器定子与旋转变压器转子之间的气隙可以极为精确地通过在印制电路板开发中的铣削过程制造。另一个优势在于，通过按本发明制造罐形磁芯可以省去若干构件，由此可以节省材料以及降低加工和装配费用。因此，取消了单独的罐形磁芯，由此取消了迄今为止用于保持罐形磁芯所需的构件。与由WO 2011/134955 A2预先公知的技术方案相比，构件数量从八个减少到三个。例如不再需要支撑环。由于定子宽度减小，能够实现将轴向力直接导入到轴瓦上。
按照优选的实施方式，在多层的印制电路板的外层上分别固定有导磁层。导磁层优选被层压在多层的印制电路板上。导磁层优选通过引入到印制电路板中的内凹部相互连接，这些内凹部用导磁的材料填充。导磁的材料可以例如是膏状的材料，其包含铁磁粉末，例如铁粉或不同合金的铁氧体粉末。膏状的材料可以良好地处理且低耗费地引入到内凹部中。面对轴承圈的导磁层具有用于容纳旋转变压器转子的留空部。相互连接的导磁层形成了罐形磁芯。
就带有导磁层的合适的多层印制电路板的构型和制造而言，参考本发明人在同一申请日的标题为《Magneische Platine und Verfahren zu deren Herstellung(磁性印制电路板和用于制作该磁性印制电路板的方法)》的专利申请。这个专利申请的公开内容就这点而言在此被包括在内。
特别优选的是如下的实施方式，在其中，能导磁的结构由多个彼此相间隔的角度区段构成。
在此被证实有利的是划分成四个一样大的角度区段。当然多于四个角度区段的实施方案同样可行。由多个角度区段构成的能导磁的结构的构型以及角度区段的相间隔的安装具有很大的优势，即，在角度区段内部的磁阻要比在相邻的角度区段之间的过渡部中的阻抗小得多。以这种方式实现了如下的径向磁通：径向靠内的罐形磁芯腿部—气隙—旋转变压器转子—气隙—径向靠外的罐形磁芯腿部。在这种情况下，在这个磁回路内的磁阻是两个气隙的阻抗和罐形磁芯腿部的阻抗的串联。在罐形磁芯腿部的间距恒定时，磁阻与旋转变压器转子的旋转轴线相对于旋转变压器定子的中点部位的移动无关，因为当靠内的和靠外的罐形磁芯腿部沿着圆周方向具有相同的长度时，气隙的阻抗总和保持恒定。
作为备选，旋转变压器转子的能导磁的部件也可以由多个彼此相间隔的角度区段构成。通过旋转变压器转子的能导磁的部件的经分段的构型实现了和在旋转变压器定子的能导磁的结构的经分段的构型中相同的效果。已足够的是，要么旋转变压器定子的能导磁的结构由多个彼此相间隔的角度区段来实施，要么旋转变压器转子的能导磁的部件由多个彼此相间隔的角度区段来实施，这是因为由此已将磁回路分开。在未分段的构型中，在最糟糕的情况下，从象限到象限出现了不期望的切向磁通。由此，测量信号与旋转变压器转子的旋转轴线相对于旋转变压器定子的中点部位的定位相关，由此需要对定子和转子进行精确的校准。因此，分隔成角度区段减少了正弦形的测量信号的失真以及由此减少了角度测量的误差。磁性的分隔部解决了迄今为止在按现有技术的装置中存在的精度问题。因此，由本发明实现的相对于校准的不准确性而提高了的容许误差是基于磁回路的变化。无需为此变化在制造和装配中的公差。
按照有利的实施方式，旋转变压器定子经由保持元件固定在轴承圈上。保持元件可以优选低耗费地制造成压铸件。
在有利的实施方式中，旋转变压器定子固定在轴承外圈上而旋转变压器转子固定在轴承内圈上。
被证实有利的是，发送和接收线圈与驱控和评估单元连接，驱控和评估单元用于评估由角度传感器提供的信号。驱控和评估单元优选布置在角度传感器外部。由于在角度传感器与驱控和评估单元之间有空间上的分隔，旋转变压器轴承也特别适用于更高的运行温度。
还使用本发明所述的旋转变压器定子来解决按本发明的技术问题。
按本发明的旋转变压器定子包括至少一个发送线圈和至少一个接收线圈，至少一个发送线圈和至少一个接收线圈实施为多层的印制电路板上的经印制的电路，其中，发送线圈至少局部布置在U形的罐形磁芯内部，而接收线圈局部布置在罐形磁芯内部且局部布置在罐形磁芯外部。罐形磁芯由集成到多层的印制电路板中的能导磁的结构形成。为此优选分别将导磁层固定在多层的印制电路板的外层上，这些导磁层通过引入到印制电路板中的且用导磁的材料填充的内凹部相互连接，以及其中，其中一个导磁层具有用于容纳旋转变压器转子的留空部。
通过按本发明采取的将印制电路板与能导磁的结构进行的组合，可以实现如下的旋转变压器定子，该旋转变压器定子尤其以紧凑且节省空间的构造方式而出众，由此特别是能够节省成本。
最后，本发明所述的用于制造旋转变压器定子的方法也被用于解决按本发明的技术问题。
按本发明的方法包括下列步骤：首先制造多层的印制电路板，其带有至少一个实施为经印制的电路的发送线圈和至少一个实施为经印制的电路的接收线圈。随后以合适的方式和方法分别将导磁层固定在这个多层的印制电路板的外层上。导磁层优选被层压。随后将内凹部引入到印制电路板中。接下来将导磁的材料引入到内凹部中，由此导磁层以导磁的方式连接。最后将用于容纳旋转变压器定子的留空部引入到两个导磁层的其中一个中。
附图说明
接下来借助附图详细阐释本发明的优选的实施方式。其中：
图1示出按本发明的旋转变压器轴承的剖面图；
图2示出按本发明的旋转变压器定子的剖面图；
图3示出在第一实施方式中的角度传感器的剖面图；
图4示出在第二实施方式中的角度传感器的剖面图。
具体实施方式
图1示出了按本发明的旋转变压器轴承01的剖面图。旋转变压器轴承01包括轴承内圈02、轴承外圈03以及滚动体(未示出)，滚动体布置在轴承内圈02与轴承外圈03之间。旋转变压器轴承01此外还具有角度传感器04，其用于探测轴承圈02、03相对彼此的角度位置。角度传感器04包括经由保持元件05与轴承外圈03连接的环形的旋转变压器定子06。
旋转变压器定子06包含多层的印制电路板07。多层的印制电路板07由多个叠置的导电层和绝缘层构成，绝缘层布置在邻接的导电层之间。在导电层上实现了形式为经印制的电路的至少一个发送线圈和至少一个接收线圈(未示出)。优选的是具有四个接收线圈的实施方式。作为备选也可以使用例如八个或十二个接收线圈。多层的印制电路板07在其两个外层上分别配设有能导磁的层08、09。两个能导磁的层08、09经由磁贯通接触部10、12相互连接。磁贯通接触部10、12如下地制造，即，为此将内凹部引入到配设有磁性层08、09的印制电路板07中，这些内凹部用能导磁的材料填充。相互连接的能导磁的层08、09形成了横截面呈U形的罐形磁芯13。
面对轴承圈02、03的导磁层08具有用于容纳旋转变压器转子15的留空部14。旋转变压器转子15以如下方式构造为环形件，即，使得环形件的内直径与外直径之间的差在圆周上是不同的，其中，优选存在圆形的内周和偏心的外周。旋转变压器转子15包括能导磁的部件。旋转变压器转子优选通过按压连接来固定在轴承内圈02上。旋转变压器转子15以如下方式来布置，即，旋转变压器转子的旋转轴线延伸穿过旋转变压器定子06的中点。发送线圈在所示的实施例中完全布置在U形的罐形磁芯13内部，而接收线圈局部位于U形的罐形磁芯13内部且局部位于U形的罐形磁芯13外部。在备选的实施方式中，发送线圈也可以仅局部布置在U形的罐形磁芯13内部。
借助在U形的罐形磁芯13和旋转变压器转子15上延伸的磁回路能够在发送线圈与接收线圈之间传递信号。通过旋转变压器转子15给定了磁回路内的与角度位置相关的可变的磁阻。发送线圈和接收线圈优选与驱控和评估单元(未示出)连接，以便相应地评估所获知的信号。
图2示出了按本发明的旋转变压器定子06的剖面图。示出了如下的实施例，在其中，能导磁的结构，也就是说，形成了罐形磁芯13的能导磁的层和磁贯通接触部由四个同样大小的角度区段来构成。各个角度区段彼此相间隔。下面借助图3和4阐释与带有未分段的能导磁的结构的实施方式相比带有经分段的能导磁的结构的实施方式的优点。
图3示出了带有未分段的能导磁的结构的角度传感器04。在未分段的能导磁的结构的情况下，产生了穿过定子和转子的不期望的切向磁通17，由此角度传感器04的测量信号与旋转变压器转子15的旋转轴线相对于旋转变压器定子06的中点部位的定位相关。由角度传感器04提供的测量信号是失真的以及因此是不准确的。
图4示出了带有经分段的能导磁的结构的角度传感器04。在此，由于沿圆周方向被减短的区段仅出现了比较小的切向磁通17。由于区段的划分使得在区段内部的磁阻比在相邻区段之间的过渡部中的阻抗要小得多。由此首先以如下的走向产生了径向磁通20：径向靠内的罐形磁芯腿部18—第一气隙22—旋转变压器转子06—第二气隙23—径向靠外的罐形磁芯腿部19。在这种情况下，该磁回路中的磁阻基本上是两个气隙22、23的阻抗和罐形磁芯腿部18、19的阻抗的串联。在罐形磁芯腿部18、19的间距恒定时，磁阻与旋转变压器转子15的旋转轴线相对于旋转变压器定子06的中点部位的移动无关，因为当靠内的和靠外的罐形磁芯腿部沿圆周方向具有相同的长度时，气隙22、23的阻抗总和保持恒定。分隔成区段减小了正弦形的测量信号的失真以及因此减小了角度测量的误差。
附图标记列表
01 旋转变压器轴承
02 轴承内圈
03 轴承外圈
04 角度传感器
05 保持元件
06 旋转变压器定子
07 印制电路板
08 导磁层
09 导磁层
10 磁贯通接触部
11 -
12 磁贯通接触部
13 罐形磁芯
14 留空部
15 旋转变压器转子
16 -
17 切向磁通
18 径向靠内的罐形磁芯腿部
19 径向靠外的罐形磁芯腿部
20 径向磁通
21
22 第一气隙
23 第二气隙

Claims (10)

1.一种旋转变压器轴承(01)，所述旋转变压器轴承带有轴承内圈(02)、轴承外圈(03)、布置在轴承圈(02、03)之间的滚动体和用于探测轴承圈(02、03)彼此间的相对的角度位置的角度传感器(04)，所述角度传感器包括：
-与两个轴承圈(02、03)中的一个连接的环形的旋转变压器定子(06)，所述旋转变压器定子具有至少一个发送线圈和至少一个接收线圈，所述至少一个发送线圈和所述至少一个接收线圈实施为多层的印制电路板(07)上的经印制的电路，其中，所述发送线圈至少局部布置在U形的罐形磁芯(13)内部，而所述接收线圈局部布置在所述罐形磁芯(13)内部且局部布置在所述罐形磁芯外部，
-与两个轴承圈(02、03)中的另一个抗相对转动地连接的旋转变压器转子(15)，所述旋转变压器转子包括能导磁的部件，其中，所述旋转变压器转子(15)以如下方式构造为环形件，即，在所述环形件的内直径与外直径之间的差在圆周上是不同的，其中，所述旋转变压器转子(15)至少局部布置在所述U形的罐形磁芯(13)内部，其中，所述旋转变压器转子(15)的旋转轴线延伸穿过所述旋转变压器定子(06)的中点(19)，
其中，能通过磁回路在所述发送线圈与所述接收线圈之间传递信号，并且通过所述旋转变压器转子(15)给定了在磁回路中的与角度位置相关的可变的磁阻，
其特征在于，所述角度传感器(04)的罐形磁芯(13)由集成到所述多层的印制电路板(07)中的能导磁的结构来形成，所述罐形磁芯包括面对所述轴承内圈和轴承外圈(02、03)的第一导磁层(08)，该第一导磁层(08)具有用于容纳所述旋转变压器转子(15)的留空部(14)。
2.按权利要求1所述的旋转变压器轴承(01)，其特征在于，所述第一导磁层(08)固定在所述多层的印制电路板(07)的第一外层上，所述罐形磁芯还包括固定在所述多层的印制电路板(07)的第二外层上的第二导磁层(09)，所述第一导磁层(08)和第二导磁层(09)通过引入到所述印制电路板(07)中的且用导磁的材料填充的内凹部(10、12)相互连接。
3.按权利要求1或2所述的旋转变压器轴承(01)，其特征在于，能导磁的结构由多个彼此相间隔的角度区段构成。
4.按权利要求3所述的旋转变压器轴承(01)，其特征在于，所述能导磁的结构由四个同样大的区段构成。
5.按权利要求1至2中任一项所述的旋转变压器轴承(01)，其特征在于，所述旋转变压器转子(15)的能导磁的部件由多个彼此相间隔的角度区段构成。
6.按权利要求1至2中任一项所述的旋转变压器轴承(01)，其特征在于，所述旋转变压器定子(06)通过保持元件(05)固定在所述两个轴承圈(02、03)的所述一个上。
7.按权利要求1至2中任一项所述的旋转变压器轴承(01)，其特征在于，所述旋转变压器定子(06)固定在所述轴承外圈(03)上而所述旋转变压器转子(15)固定在所述轴承内圈(02)上。
8.按权利要求1至2中任一项所述的旋转变压器轴承(01)，其特征在于，所述发送线圈和所述接收线圈与驱控和评估单元连接。
9.一种旋转变压器定子(06)，所述旋转变压器定子包括至少一个发送线圈和至少一个接收线圈，所述至少一个发送线圈和至少一个接收线圈实施为多层的印制电路板(07)上的经印制的电路，其中，所述发送线圈至少局部布置在U形的罐形磁芯(13)内部，而所述接收线圈局部布置在所述罐形磁芯(13)内部且局部布置在所述罐形磁芯外部，其特征在于，所述罐形磁芯(13)由集成到所述多层的印制电路板(07)中的能导磁的结构形成，其中，分别将导磁层(08、09)固定在所述多层的印制电路板(07)的外层上，其中，所述导磁层(08、09)通过引入到所述印制电路板(07)中的且用导磁的材料填充的内凹部(10、12)相互连接，并且其中，其中一个导磁层(08、09)具有用于容纳旋转变压器转子(15)的留空部(14)。
10.一种用于制造按权利要求9所述的旋转变压器定子(06)的方法，所述方法带有下列步骤：
-制备多层的印制电路板(07)，所述多层的印制电路板带有至少一个实施为经印制的电路的发送线圈和至少一个实施为经印制的电路的接收线圈；
-分别将导磁层(08、09)施装在所述多层的印制电路板(07)的外层上；
-将内凹部(10、12)引入到所述多层的印制电路板(07)中；
-将导磁的材料引入到所述内凹部(10、12)中；
-将用于容纳旋转变压器转子(15)的留空部(14)引入到两个导磁层(08、09)的其中一个中。
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