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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Resolverlager und einen Resolverstator. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Resolverstators.
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Unter einem Resolver wird allgemein ein elektromagnetischer Messumformer verstanden, zur Wandlung der Winkellage eines Rotors in eine elektrische Größe. Als Resolverlager werden Anordnungen bezeichnet, welche ein Wälzlager mit einem integrierten Winkelsensor umfassen.
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Die
WO 2014/037004 A1 zeigt ein Resolverlager mit einem Innenring, einem Außenring und Wälzkörpern, die im zwischen den Lagerringen gebildeten Ringraum angeordnet sind. Zur Abdichtung des Ringraumes dienen zwei Kreisringscheiben, welche jeweils mit einem der beiden Lagerringe drehfest verbunden sind. Im Ringraum sind Primär- und Sekundärspulen angeordnet. Zur Modulation eines von der Primärspule im Lager erzeugten magnetischen Flusses sind die Kreisringscheiben jeweils mit einem Segment aus einem magnetisch permeablen Werkstoff ausgestattet. Durch die veränderliche gegenseitige Überdeckung der Segmente im Verlauf der Drehung ändert sich der magnetische Widerstand des entsprechenden Magnetkreises. Jeder Magnetkreis weist zwei Kreisringscheiben, jeweils um die Rotationsachse verlaufende Ringspulen als Primärspule und Sekundärspule, magnetisch permeable Lagerringe und ein weiteres, zwischen den Lagerringen vorgesehenes Bauteil (Wälzkörper, Kurzschlussblech) aus einem permeablen Material auf.
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Die
WO 2011/134955 A2 zeigt eine Wälzlageranordnung mit einem Winkelsensor sowie ein Verfahren zur Montage einer solchen Wälzlageranordnung mit einem Winkelsensor. Der Winkelsensor weist einen Sensorring auf, der drehfest mit dem Außenring verbunden ist, sowie eine Maßverkörperung, die als relativ zur Rotationsachse des Wälzlagers exzentrischer Metallring ausgebildet ist und drehfest mit dem Innenring verbunden ist. Als metallische Komponente besitzt der Sensorring einen ringförmigen, zur Rotationsachse des Wälzlagers konzentrischen, U-förmigen Schalenkern. Zur Halterung des Schalenkerns sowie des Sensorrings am Außenring dient ein Halteelement aus Kunststoff, welches in einer umlaufenden Nut im Außenring befestigt ist. Radial außerhalb des Halteelements befindet sich ein Stützring aus Blech, der an der Stirnseite des Außenrings anschlägt und als Montagehilfsmittel dient sowie einen mechanischen Schutz des Winkelsensors darstellt. Zwischen der inneren Mantelfläche des Stützrings und dem Halteelement ist ein Ringraum zur Aufnahme des Sensorrings ausgebildet. Der Sensorring weist eine Sendespule auf, die in einer zur Stirnseite des Wälzlagers parallelen Ebene liegt und vollständig innerhalb des U-Profils des Schalenkerns angeordnet ist. Die Sendespule ist als gedruckte Schaltung auf einer Multilayer-Leiterplatte ausgebildet. Mit der Sendespule wirken verschiedene Empfangsspulen zusammen. Jede der Empfangsspulen ist teilweise innerhalb des U-Profils des Schalenkerns und teilweise außerhalb dieses U-Profils angeordnet. Die Empfangsspulen sind analog der Sendespule als gedruckte Schaltung ausgeführt. Zwischen Sendespule und Empfangsspule ist ein Signal über einen magnetischen Kreis übertragbar, wobei die Sendespule innerhalb des U-förmigen Schalenkerns angeordnet ist, der einen Teil des magnetischen Kreises bildet. Über die Maßverkörperung ist eine variable Reluktanz im magnetischen Kreis gegeben. Der als Maßverkörperung fungierende Metallring schließt den magnetischen Kreis zwischen den Schenkeln des U-förmigen Schalenkerns. Der beschriebene Winkelsensor besteht aus vielen einzelnen Komponenten, was eine aufwendige Fertigung (Einhaltung von Fertigungstoleranzen) als auch eine aufwendige Montage mit sich bringt. Weiterhin wird als nachteilig erachtet, dass ein derart am Wälzlager integrierter Winkelsensor die Baubreite des Wälzlagers in Richtung der Rotationsachse erheblich verbreitert, so dass mehr Bauraum benötigt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Resolverlager zur Verfügung zu stellen, welches einen einfachen Aufbau aufweist, aufwandsarm zu fertigen ist, einen geringen Bauraum benötigt und nicht zuletzt auch eine präzisere Winkelmessung ermöglicht. Des Weiteren sollen auch ein Resolverstator und ein Verfahren zu dessen Fertigung zur Verfügung gestellt werden.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Resolverlager gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Resolverlager umfasst einen Lagerinnenring, einen Lageraußenring, zwischen den Lagerringen angeordnete Wälzkörper sowie einen zur Detektion der relativen Winkelstellung der Lagerringe zueinander dienenden Winkelsensor. Der Winkelsensor umfasst einen mit einem der beiden Lagerringe verbundenen ringförmigen Resolverstator mit mindestens einer Sendespule und mindestens einer Empfangsspule, welche als gedruckte Schaltungen auf einer mehrschichtigen Platine ausgeführt sind, wobei die Sendespule zumindest teilweise innerhalb eines U-förmigen Schalenkerns angeordnet ist und die Empfangsspule teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Schalenkerns angeordnet ist. Ein weiterer Bestandteil des Resolverstators ist ein mit dem anderen der beiden Lagerringe drehfest verbundener Resolverrotor, welcher magnetisch leitfähige Komponenten umfasst, wobei der Resolverrotor als Ring derart ausgebildet ist, dass die Differenz zwischen Innen- und Außendurchmesser des Rings über den Umfang unterschiedlich ist. Der Resolverrotor ist zumindest teilweise innerhalb des U-förmigen Schalenkerns angeordnet. Die Rotationsachse des Resolverrotors verläuft durch den Mittelpunkt des Resolverstators. Über einen magnetischen Kreis zwischen der Sendespule und der Empfangsspule ist damit ein Signal übertragbar. Durch den Resolverrotor ist eine winkelstellungsabhängige variable Reluktanz im magnetischen Kreis gegeben, deren Änderung ausgewertet werden kann. Erfindungswesentlich ist weiterhin, dass der Schalenkern durch magnetisch leitfähige Strukturen gebildet ist, welche einstückig mit der mehrschichtigen Platine ausgebildet sind.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Resolverlagers besteht darin, dass durch Realisierung des Schalenkerns in Form von magnetisch leitfähigen Strukturen der Schalenkern Bestandteil der bereits zur Realisierung der Spulen dienenden mehrschichtigen Platine wird. Die Kombination einer herkömmlichen mehrschichtigen Platine mit magnetisch leitfähigen Strukturen in einer Platine erlaubt die Fertigung des Resolverstators vollständig innerhalb einer üblichen elektrischen Platinenfertigung. Hierbei kann auf bekannte und seit langem erprobte Technologien zur Fertigung elektrischer Platinen zurückgegriffen werden, wodurch eine hocheffiziente Produktion möglich ist. Hierdurch wird der Produktionsaufwand gesenkt. Die Luftspalte zwischen Resolverstator und Resolverrotor können sehr genau durch einen Fräsprozess im Platinen-Nutzen hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die erfindungsgemäße Fertigung des Schalenkerns Bauteile eingespart werden können, wodurch Material eingespart werden kann sowie der Bearbeitungs- und Montageaufwand sinkt. So entfällt der separate Schalenkern, wodurch die bislang zur Halterung des Schalenkerns erforderlichen Bauteile entfallen. Im Vergleich zu der aus der
WO 2011/134955 A2 vorbekannten Lösung reduziert sich die Bauteilanzahl von acht auf drei. Beispielsweise werden keine Stützringe mehr benötigt. Durch die verringerte Statorbreite wird es ermöglicht, Axialkräfte direkt auf die Lagerschalen einzuleiten.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist an den Außenschichten der mehrschichtigen Platine jeweils eine magnetisch leitende Schicht befestigt. Die magnetisch leitende Schicht ist vorzugsweise auf der mehrschichtigen Platine auflaminiert. Die magnetisch leitenden Schichten sind bevorzugt über in die Platine eingebrachte Ausnehmungen, welche mit einem magnetisch leitenden Material gefüllt sind, miteinander verbunden. Das magnetisch leitende Material kann beispielsweise ein pastenförmiges Material sein, welches Ferromagnetpulver, wie beispielsweise Eisenpulver oder Ferritpulver verschiedener Legierungen enthält. Pastenförmige Materialien lassen sich gut handhaben und aufwandsarm in die Ausnehmungen einbringen. Die den Lagerringen zugewandte magnetisch leitende Schicht weist eine Aussparung zur Aufnahme des Resolverrotors auf. Die miteinander verbundenen magnetisch leitenden Schichten bilden den Schalenkern.
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Hinsichtlich des Aufbaus und der Herstellung einer geeigneten mehrschichtigen Platine mit magnetisch leitenden Schichten wird auf die Patentanmeldung der Anmelderin vom selben Tag mit dem Titel „Magnetische Platine und Verfahren zu deren Herstellung“ verwiesen. Der Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung wird insoweit hier einbezogen.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die magnetisch leitfähigen Strukturen aus mehreren voneinander beabstandeten Winkelsegmenten bestehen.
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Als zweckmäßig hat sich hierbei die Unterteilung in vier gleich große Winkelsegmente erwiesen. Es sind natürlich ebenso Ausführungen mit mehr als vier Winkelsegmenten möglich. Der Aufbau der magnetisch leitfähigen Strukturen aus mehreren Winkelsegmenten und deren beabstandeter Einbau haben den großen Vorteil, dass der magnetische Widerstand innerhalb eines Winkelsegments wesentlich geringer als der Widerstand beim Übergang zwischen benachbarten Winkelsegmenten ist. Auf diese Weise wird folgender radialer Magnetfluss erreicht: radial innerer Schalenkernschenkel – Luftspalt – Resolverrotor – Luftspalt – radial äußerer Schalenkernschenkel. Der magnetische Widerstand in diesem Magnetkreis ist in diesem Fall eine Reihenschaltung der Widerstände der beiden Luftspalte und der Schalenkernschenkel. Bei konstantem Abstand der Schalenkernschenkel ist der magnetische Widerstand unabhängig von Verschiebungen der Rotationsachse des Resolverrotors zur Position des Mittelpunkts des Resolverstators, da die Summe der Widerstände der Luftspalte konstant bleibt, wenn die inneren und die äußeren Schalenkernschenkel die gleiche Länge in Umfangsrichtung aufweisen.
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Alternativ können auch die magnetisch leitfähigen Komponenten des Resolverrotors aus mehreren voneinander beabstandeten Winkelsegmenten bestehen. Durch den segmentierten Aufbau der magnetisch leitfähigen Komponenten des Resolverrotors wird die gleiche Wirkung, wie beim segmentierten Aufbau der magnetisch leitfähigen Strukturen des Resolverstators erreicht. Es ist ausreichend entweder die magnetisch leitfähigen Strukturen des Resolverstators oder die magnetisch leitfähigen Komponenten des Resolverrotors aus mehreren voneinander beabstandeten Winkelsegmenten auszuführen, da hierdurch der magnetische Kreis aufgetrennt wird. Bei nicht segmentiertem Aufbau würde ein unerwünschter tangentialer Magnetfluss – im schlechtesten Fall von Quadrant zu Quadrant – entstehen. Dadurch würden die Messsignale abhängig von der Lage der Rotationsachse des Resolverrotors zur Position des Mittelpunkts des Resolverstators sein, wodurch eine exakte Justierung des Rotors und des Stators notwendig wird. Die Trennung in Winkelsegmente verringert somit die Verzerrungen des Messsignals von der Sinusform und verringert dadurch die Fehler der Winkelmessung. Die magnetische Trennung löst das bisher in Anordnungen nach dem Stand der Technik bestehende Genauigkeitsproblem. Die durch die vorliegende Erfindung erreichte erhöhte Fehlertoleranz gegenüber der Justageungenauigkeit basiert somit auf der beschriebenen Änderung des Magnetkreises. Einer Verschärfung der Toleranzen in Fertigung und Montage ist dafür nicht notwendig.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Resolverstator über ein Halteelement am Lagerring befestigt. Das Halteelement kann vorzugsweise aufwandsarm als Spritzgussteil gefertigt sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Resolverstator am Lageraußenring und der Resolverrotor am Lagerinnenring befestigt.
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Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Sende- und Empfangsspule mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit in Verbindung steht, welche zur Auswertung des vom Winkelsensor gelieferten Signals dient. Die Ansteuer- und Auswerteeinheit ist vorzugsweise außerhalb des Winkelsensors angeordnet. Durch die räumliche Trennung zwischen dem Winkelsensor und der Ansteuer- und Auswerteeinheit eignet sich das Resolverlager insbesondere auch für höhere Betriebstemperaturen.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient auch ein Resolverstator gemäß Anspruch 9.
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Der erfindungsgemäße Resolverstator umfasst mindestens eine Sendespule und mindestens eine Empfangsspule, welche als gedruckte Schaltungen auf einer mehrschichtigen Platine ausgeführt sind, wobei die Sendespule zumindest teilweise innerhalb eines U-förmigen Schalenkerns angeordnet ist und die Empfangsspule teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Schalenkerns angeordnet ist. Der Schalenkern wird durch magnetisch leitfähige Strukturen gebildet, welche in die mehrschichtige Platine integriert sind. Vorzugsweise ist hierzu an den Außenschichten der mehrschichtigen Platine jeweils eine magnetisch leitende Schicht befestigt, welche über in die Platine eingebrachte und mit einem magnetisch leitenden Material gefüllte Ausnehmungen miteinander verbunden sind, und wobei eine der magnetisch leitenden Schichten eine Aussparung zur Aufnahme eines Resolverrotors aufweist.
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Durch die erfindungsgemäß vorgenommene Kombination einer elektrischen Platine mit magnetisch leitfähigen Strukturen kann ein Resolverstator realisiert werden, welcher sich insbesondere durch eine kompakte, platzsparende Bauweise auszeichnet, wodurch nicht zuletzt auch Kosten eingespart werden können.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient schließlich auch ein Verfahren zur Fertigung eines Resolverstators gemäß Anspruch 10.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: Zunächst wird eine mehrschichtige Platine mit mindestens einer als gedruckte Schaltung ausgeführten Sendespule und mindestens einer als gedruckte Schaltung ausgeführten Empfangsspule hergestellt. An den Außenschichten dieser mehrschichtigen Platine wird anschließend jeweils eine magnetisch leitende Schicht auf geeignete Art und Weise befestigt. Die magnetisch leitenden Schichten werden vorzugsweise auflaminiert. In die Platine werden im Anschluss daran Ausnehmungen eingebracht. In die Ausnehmungen wird nachfolgend magnetisch leitendes Material eingebracht, wodurch die magnetisch leitenden Schichten magnetisch leitend verbunden werden. Abschließend wird eine zur Aufnahme eines Resolverstators dienende Aussparung in eine der beiden magnetisch leitenden Schichten eingebracht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Resolverlagers;
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2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Resolverstators;
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3 eine Schnittdarstellung eines Winkelsensors in einer ersten Ausführungsform;
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4 eine Schnittdarstellung des Winkelsensors in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Resolverlagers 01. Das Resolverlager 01 umfasst einen Lagerinnenring 02, einen Lageraußenring 03 sowie Wälzkörper (nicht dargestellt) welche zwischen Lagerinnenring 02 und Lageraußenring 03 angeordnet sind. Das Resolverlager 01 besitzt des Weiteren einen Winkelsensor 04, welcher zur Detektion der Winkelstellung der Lagerringe 02, 03 relativ zueinander dient. Der Winkelsensor 04 umfasst einen mit dem Lageraußenring 03 über ein Halteelement 05 verbundenen ringförmigen Resolverstator 06.
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Der Resolverstator 06 beinhaltet eine mehrschichtige Platine 07. Die mehrschichtige Platine 07 besteht aus mehreren übereinanderliegenden elektrisch leitenden Schichten und dielektrischen Schichten, welche zwischen angrenzenden elektrisch leitenden Schichten angeordnet sind. Auf den elektrisch leitenden Schichten ist mindestens eine Sendespule und mindestens eine Empfangsspule (nicht dargestellt) in Form gedruckter Schaltungen realisiert. Bevorzugt sind Ausführungsformen mit vier Empfangsspulen. Alternativ können beispielsweise auch acht oder zwölf Empfangsspulen zum Einsatz kommen. Die mehrschichtige Platine 07 ist auf ihren beiden Außenschichten mit jeweils einer magnetisch leitfähigen Schicht 08, 09 versehen. Die beiden magnetisch leitfähigen Schichten 08, 09 sind über magnetische Durchkontaktierungen 10, 12 miteinander verbunden. Die magnetischen Durchkontaktierungen 10, 12 werden hergestellt, indem in die mit den magnetischen Schichten 08, 09 versehene Platine 07 Ausnehmungen eingebracht werden, welche mit magnetisch leitfähigem Material verfüllt werden. Die miteinander verbundenen magnetisch leitfähigen Schichten 08, 09 bilden einen im Querschnitt U-förmigen Schalenkern 13.
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Die den Lagerringen 02, 03 zugewandte magnetisch leitende Schicht 08 weist eine Aussparung 14 zur Aufnahme eines Resolverrotors 15 auf. Der Resolverrotor 15 ist als Ring derart ausgebildet, dass die Differenz zwischen Innen- und Außendurchmesser des Rings über den Umfang unterschiedlich ist, wobei vorzugsweise ein kreisförmiger Innenumfang und ein exzentrischer Außenumfang vorliegen. Der Resolverrotor 15 umfasst magnetisch leitfähige Komponenten. Er ist am Lagerinnenring 02 befestigt, vorzugsweise über eine Pressverbindung. Der Resolverrotor 15 ist derart angeordnet, dass seine Rotationsachse durch den Mittelpunkt des Resolverstators 06 verläuft. Die Sendespule ist bei der gezeigten Ausführungsform vollständig innerhalb des U-förmigen Schalenkerns 13 angeordnet, während sich die Empfangsspule teilweise außerhalb und teilweise innerhalb des U-förmigen Schalenkerns 13 befindet. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Sendespule auch nur teilweise innerhalb des U-förmigen Schalenkerns 13 angeordnet sein.
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Mittels eines über den U-förmigen Schalenkern 13 und den Resolverrotor 15 verlaufenden magnetischen Kreises ist ein Signal zwischen der Sendespule und der Empfangsspule übertragbar. Durch den Resolverrotor 15 ist eine winkelstellungsabhängige variable Reluktanz im magnetischen Kreis gegeben. Die Sendespule und die Empfangsspule stehen vorzugsweise mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit (nicht dargestellt) in Verbindung, um die ermittelten Signale entsprechend auszuwerten.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Resolverstators 06. Dargestellt ist eine Ausführungsform bei welcher die magnetisch leitfähigen Strukturen, d. h. die den Schalenkern 13 bildenden magnetisch leitfähigen Schichten und die magnetischen Durchkontaktierungen aus vier gleich großen Winkelsegmenten bestehen. Die einzelnen Winkelsegmente sind von einander beabstandet. Die Vorteile dieser Ausführungsform mit segmentierten magnetisch leitfähigen Strukturen im Vergleich zu Ausführungsformen mit nicht segmentierten magnetisch leitfähigen Strukturen sollen nachfolgend anhand der 3 und 4 erläutert werden.
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3 zeigt einen Winkelsensor 04 mit nicht segmentierten magnetisch leitfähigen Strukturen. Im Fall nicht segmentierter magnetisch leitfähiger Strukturen entsteht ein unerwünschter tangentialer Magnetfluss 17 durch Stator und Rotor, wodurch die Messsignale des Winkelsensors 04 abhängig von der Lage der Rotationsachse des Resolverrotors 15 zur Position des Mittelpunkts des Resolverstators 06 werden. Die vom Winkelsensor 04 gelieferten Messsignale werden verzerrt und somit ungenau.
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4 zeigt einen Winkelsensor 04 mit segmentierten magnetisch leitfähigen Strukturen. Hier entsteht aufgrund der in Umfangsrichtung verkürzten Segmente nur ein vergleichsweise geringer tangentialer Magnetfluss 17. Durch die Segmentaufteilung ist der magnetische Widerstand innerhalb eines Segments wesentlich geringer als der Widerstand beim Übergang zwischen benachbarten Segmenten. Hierdurch wird vor allem ein radialer Magnetfluss 20 entstehen mit dem Verlauf: radial innerer Schalenkernschenkel 18 – erster Luftspalt 22 – Resolverrotor 06 – zweiter Luftspalt 23 – radial äußerer Schalenkernschenkel 19. Der magnetische Widerstand in diesem Magnetkreis ist in diesem Fall im Wesentlichen eine Reihenschaltung der Widerstände der beiden Luftspalte 22, 23 und der Schalenkernschenkel 18, 19. Bei konstantem Abstand der Schalenkernschenkel 18, 19 ist der magnetische Widerstand unabhängig von Verschiebungen der Rotationsachse des Resolverrotors 15 zur Position des Mittelpunkts des Resolverstators 06, da die Summe der Widerstände der Luftspalte 22, 23 konstant bleibt, wenn die inneren und die äußeren Schalenkernschenkel die gleiche Länge in Umfangsrichtung aufweisen. Die Trennung in Segmente verringert die Verzerrungen des Messsignals von der Sinusform und verringert dadurch die Fehler der Winkelmessung.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Resolverlager
- 02
- Lagerinnenring
- 03
- Lageraußenring
- 04
- Winkelsensor
- 05
- Halteelement
- 06
- Resolverstator
- 07
- Platine
- 08
- magnetisch leitende Schicht
- 09
- magnetisch leitende Schicht
- 10
- magnetische Durchkontaktierung
- 11
-
- 12
- magnetische Durchkontaktierung
- 13
- Schalenkern
- 14
- Aussparung
- 15
- Resolverrotor
- 16
-
- 17
- tangentialer Magnetfluss
- 18
- radial innerer Schalenkernschenkel
- 19
- radial äußerer Schalenkernschenkel
- 20
- radialer Magnetfluss
- 21
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- 22
- erster Luftspalt
- 23
- zweiter Luftspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/037004 A1 [0003]
- WO 2011/134955 A2 [0004, 0008]
