DE602004000775T2 - Mit einer Messeinrichtung ausgestattetes Wälzlager - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der mit einer Messeinrichtung ausgestatteten Lager, die mit einer Sensoranordnung zum Erfassen von Rotationsparametern wie Winkelstellung, Drehrichtung, Geschwindigkeit, Beschleunigung versehen sind.
- Die Erfindung betrifft insbesondere ein mit Sensoren ausgerüstetes Lager, zu dem ein mit einem stillstehenden Ring fest verbundener Aufnehmer und ein mit einem umlaufenden Ring fest verbundener Kodierer gehören.
- Derartige Wälzlager werden beispielsweise für die Lagerung von Synchronmotoren verwendet. Die Digitalisierung des Aufnehmers ermöglicht es, insbesondere die Drehzahl und die Winkelstellung der Pole des Ankers gegenüber den Polen des Stators zu erfassen.
- Aus der EP A 1 037 051 ist eine mit einer Messeinrichtung ausgestattete Lageranordnung bekannt, bei der ein Kodiererelement mit einer Welle fest verbunden ist, und ein Signalaufnehmer mit einem umlaufenden Ring fest verbunden ist. Der umlaufende Ring ist in einer zylindrischen Bohrung eines ortsfesten Abschnitts befestigt, um bezüglich des ortsfesten Abschnitts eine axiale Verschiebung zuzulassen, wobei konische Scheiben eine axiale Kraft auf den stillstehenden Ring ausüben, um diesen an Ort und Stelle zu halten.
- Da eine derartige Vorrichtung mehrere von dem Wälzlager und der Sensoreinrichtung unabhängige Vorspannscheiben verwendet, muss ein Motorhersteller daher eine große Anzahl von Teilen verwalten, handhaben und zusammensetzen.
- Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen.
- Die Erfindung schlägt ein mit Sensoren ausgerüstetes Lager vor, das kostengünstig ist und sich problemlos in die Maschine, für die es konstruiert ist, insbesondere in einen Elektromotor, einbauen lässt.
- Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die mit einer Messeinrichtung ausgestattete Lageranordnung in der Bauart mit einem stillstehenden Ring, einem umlaufenden Ring, wenigstens einer Reihe von zwischen zwei Lagerlaufflächen des umlaufenden und stillstehenden Rings angeordneten Wälzkörpern, einer Sensoranordnung zum Erfassen von Rotationsparametern, zu der eine stillstehende Aufnehmeranordnung und ein umlaufender ringförmiger Kodierer gehören, und einem elastischen Glied zum axialen Vorspannen des Wälzlagers, wobei die Vorspannkraft über die Wälzkörper übertragen wird. Das elastische Glied ist ringförmig und weist einen Durchmesser auf, der kleiner oder gleich demjenigen des Außenrings des Wälzlagers ist, wobei das elastische Glied eine Anlagefläche aufweist, die dazu vorgesehen ist, mit einem Außenelement an der Vorrichtung in Eingriff zu kommen, um auf den stillstehenden Ring eine axiale Reaktionskraft in entgegengesetzter Richtung zu der Sensoranordnung auszuüben. Das elastische Glied wird an der Aufnehmeranordnung aufgenommen. Die Axialkraft wird mittelbar oder unmittelbar ausgeübt.
- Die axiale Befestigung des elastischen Glieds an der Sensoranordnung vor der Montage der Sensoranordnung an dem dazu bestimmten Wälzlager ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl der zu bevorratenden und zu montierenden Teile. Fabrikationsfehler, die sich aus dem Vergessen des elastischen Glieds ergeben, werden vermieden. Aufgrund des elastischen Gliedes, dessen Außendurchmesser kleiner oder gleich demjenigen des Außenrings des Wälzlagers ist, weist die Sensoranordnung einen geringen radialen Raumbedarf auf. Die Axialkraft kann durch unmittelbare Berührung des elastischen Glieds auf den stillstehenden Ring ausgeübt werden. Alternativ kann die Axialkraft über ein anderes Element ausgeübt werden, beispielsweise eine Platine einer gedruckten Schaltung.
- In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das elastische Glied eine gewellte Scheibe.
- In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, ist das elastische Glied eine Tellerfederscheibe.
- In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das elastische Glied eine Scheibe, die mit elastischen Zungen versehen ist.
- Vorteilhafterweise weist die Aufnehmeranordnung einen Grundkörper oder Blockaufnehmer auf, der mit Haltemitteln für das elastische Glied versehen ist. Die Haltemittel können auf wenigstens einem Finger basieren.
- In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Aufnehmeranordnung eine gedruckte Schaltung und wenigstens ein Aufnehmerelement auf, das auf der gedruckten Schaltung sitzt, wobei das elastische Glied mit der gedruckten Schal tung auf der von dem Aufnehmerelement abliegenden Seite in Berührung steht. Das elastische Glied kann in axialer Richtung zwischen der gedruckten Schaltung und dem Haltemittel des elastischen Glieds angeordnet sein, das ein Teil der Aufnehmeranordnung bildet, wobei die gedruckte Schaltung zur Übertragung der Axialkraft zwischen dem stillstehenden Ring und dem elastischen Glied beiträgt. Die Vorrichtung weist neben ihrer radialen Kompaktheit eine zufriedenstellende axiale Kompaktheit auf.
- In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung übertragen die Wälzkörper die axiale Vorspannkraft von einem Lagerring auf den anderen.
- In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung drückt das elastische Glied zum axialen Vorspannen des Wälzlagers den stillstehenden Ring in Richtung von der Messanordnung für Rotationsparameter weg.
- Eine Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Sensoranordnung zum Erfassen von Rotationsparametern zu schaffen, die dazu eingerichtet ist, in einem Lager montiert zu werden, und zu der eine stillstehende Aufnehmeranordnung, ein rotierender ringförmiger Kodierer und ein elastisches Glied zum axialen Vorspannen gehört. Das elastische Glied ist ringförmig. Der Durchmesser des elastischen Glieds ist kleiner oder gleich demjenigen der Sensoranordnung. Das elastische Glied trägt eine Anlagefläche, die mit einem äußeren Element der Anordnung in Berührung steht, um auf die Sensoranordnung eine axiale Reaktionskraft in entgegengesetzter Richtung zu der Sensoranordnung auszuüben. Das elastische Glied ist auf der Aufnehmeranordnung gehalten. Die Axialkraft wird mittelbar oder unmittelbar ausgeübt.
- In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert das elastische Glied auf einer Scheibe.
- Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektromotor zu schaffen, zu dem ein Anker, ein Stator, ein Wälzlager und eine mit einer Messeinrichtung ausgestattete Lageranordnung gehören, wie sie oben beschrieben ist.
- Vorteilhafterweise ist das elastische Glied in axialer Richtung zwischen der Aufnehmeranordnung und einem stillstehenden Teil des Motors angeordnet, beispielsweise einem Teil des Gehäuses oder einem angefügten Teil, der an dem Gehäuse befestigt ist.
- Die Erfindung wird verständlicher und die sonstigen Vorteile werden offensichtlich nach dem Lesen der detaillierten Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele, die in keiner Weise als beschränkend zu bewerten sind und anhand der nachstehenden Zeichnungen veranschaulicht werden:
-
1 zeigt in einem Längsschnitt ein mit Sensoren ausgerüstetes Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 stellt das Wälzlagers nach1 , in perspektivischer Ansicht dar; -
3 zeigt eine Teilansicht eines Längsschnitts eines Elektromotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
4 zeigt den Elektromotor nach3 , in einer axialen Schnittansicht. -
1 zeigt wie das insgesamt mit dem Bezugszeichen1 bezeichnete mit Sensoren ausgerüstete Lager ausgestaltet ist, um an dem Ende einer drehenden Welle eines nicht gezeigten Elektromotors befestigt zu werden. Zu dem Wälzlager1 gehören: ein mit einer Lagerlauffläche3 ausgebildeter Außenring2 , ein mit einer Lagerlauffläche5 ausgebildeter Innenring4 , eine Reihe von zwischen den Lagerlaufflächen3 und5 angeordneten Wälzkörpern6 , in diesem Fall Kugeln, ein Käfig7 , der die Wälzkörper5 längs dem Umfang beabstandet, und eine Dichtungseinrichtung8 , die in einer Nut9 des Außenrings2 an einer Seite der Reihe von Wälzkörpern6 befestigt ist. Das Wälzlager1 ist ferner mit einer Sensoranordnung10 ausgestattet, die auf einem Kodierer11 und einer Aufnehmeranordnung12 basiert. - Zu dem Kodierer
11 gehören: ein im Querschnitt S-förmig gestalteter ringförmiger Träger13 , der einen auf einen äußeren Sitz des umlaufenden Innenrings4 aufgesteckten zylindrischen Abschnitt, einen sich nach außen erstreckenden radialen Abschnitt und einen weiteren zylindrischen Abschnitt aufweist, der sich von den Wälzkörpern6 weg erstreckt, und ein aktiver Teil14 in Gestalt eines mehrpoligen Rings, der aus auf den Träger13 aufgespritztem Plastoferrit oder Elastoferrit gefertigt ist, wobei der aktive Teil14 in axialer Richtung gegenüber den radialen Stirnflächen vorspringt, die den Außenring2 und Innenring4 des Wälzlagers1 begrenzen. - Die Aufnehmeranordnung
12 enthält einen aus Kunststoff gefertigten Signalaufnehmer15 , der an dem Außenring2 starr befestigt ist. Der Signalaufnehmer15 kommt auf der der Dichtungseinrichtung8 abgewandten Seite mit der radiale Stirnfläche des Außenrings2 in Berührung und sitzt in einer Nut16 , die zu der Nut8 bezüglich einer durch den Mittelpunkt der Wälzkörper6 verlaufenden Ebene symmetrisch ist. Der Signalaufnehmer15 umfasst einen im Wesentlichen radialen Abschnitt17 , der in axialer Richtung zwischen den Wälzkörpern6 und dem radialen Abschnitt des Trägers13 des Kodierers11 und in radialer Richtung zwischen der Nut16 und dem zylindrischen Abschnitt des auf den äußeren Sitz des Innenrings4 aufgesteckten Trägers13 angeordnet ist, und einen im Wesentlichen rohrförmigen Abschnitt18 , der einen Außendurchmesser aufweist, der geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Außenrings2 ist und sich in axialer Richtung von den Wälzkörpern6 weg erstreckt. Der rohrförmige Abschnitt18 weist einen zylindrischen Innenraum19 auf, der mit einer Schulter20 ausgebildet ist. Der rohrförmige Abschnitt18 umgibt radial den aktiven Teil14 des Kodierers11 . - Zu der Aufnehmeranordnung
12 gehören ferner: eine ringförmige gedruckte oder integrierte Schaltungsplatine21 , die in den zylindrischen Innenraum19 bis zur Anlage mit der Schulter20 eingebracht ist, die im Wesentlichen in der Nähe des rohrförmigen Abschnitts18 ausgebildet ist, eine oder mehrere Aufnehmerelemente22 , die auf der dem Kodierer11 zugewandten Seite auf der Platine21 sitzen, und ein Anschlussbus23 . Die Platine21 weist eine zylindrische Öffnung auf, durch die eine Motorwelle geführt werden kann. Das bzw. die Aufnehmerelemente22 können Hall-Effekt-Sensoren sein. Der Anschlussbus23 ist auf der dem Aufnehmerelement22 abgewandten Seite mit der Platine21 verbunden und enthält eine Vielzahl von Leitungen24 , die in der Lage sind, Strom und/oder elektrische Signale zu übertragen. Das bzw. die Aufnehmerelemente22 sind mit einem geringen axialen Spalt gegenüber dem aktiven Teil14 des Kodierers11 angeordnet. - Das Wälzlager
1 enthält außerdem ein axiales Vorspannelement25 , das hier in Gestalt einer gewellten Scheibe vorliegt, die in dem zylindrischen Innenraum19 angeordnet ist und auf derselben Seite wie der Anschlussbus23 über eine Fläche25a mit der Platine21 in Berührung steht. An dem freien Ende des rohrförmigen Abschnitts18 des Signalaufnehmers15 sind mehrere Finger ausgebildet, von denen drei Finger26 den axialen Halt der Platine21 in der Weise sicherstellen, dass diese zwischen der Schulter20 und den Fingern26 in axialer Richtung fixiert ist. Die Finger26 erstrecken sich gegenüber dem zylindrischen Innenraum19 in radialer Richtung nach innen vorspringend. - Zusätzlich sind drei weitere Haltefinger
27 vorgesehen, die ebenfalls längs dem Umfang verlaufend verteilt sind, um das axiale Vorspannelement25 zu halten, und die ebenfalls bezüglich des zylindrischen Innenraums19 nach innen vorspringen. Die Haltefinger27 stehen mit einer Fläche25b des axialen Vorspannelements25 auf der der Fläche25a abgewandten Seite in Berührung. Das axiale Vorspannelement25 bildet mit dem Wälzlager1 eine vormontierte Untereinheit, die sich kostengünstig mit den übrigen Teilen eines Elektromotors zusammenbauen lässt. - Wie aus
3 ersichtlich, ist das mit einer Messeinrichtung ausgestattete Wälzlager1 in einem Motor28 eingebaut, von dem nur ein Abschnitt des Endes dargestellt ist. Die Bohrung des Innenrings4 ist mit Presssitz an einer Welle29 befestigt, die mit einem Anker30 starr verbunden ist. Der Außenring2 ist in einem Motorgehäuse31 befestigt, das im Allgemeinen mehrere Elemente enthält, von de nen lediglich ein Teil dargestellt ist. Der Außenring2 ist mit einem Gleitsitz in einem rohrförmigen Abschnitt32 des Gehäuses31 befestigt. Das Gehäuse31 weist ferner einen radialen Abschnitt33 auf, der an dem Ende des rohrförmigen Abschnitts32 gegenüber dem Anker30 angeordnet und ringförmig mit einem zylindrischen Innenraum34 ausgeführt ist, durch den hindurch das Ende der Welle29 und der Anschlussbus24 geführt sind. Die Fläche25b des axialen Vorspannelements25 steht mit der inneren radialen Stirnfläche des radialen Abschnitts33 des Gehäuses31 in Anlage. Auf diese Weise neigt das axiale Vorspannelement25 dazu, den Außenring2 über die Platine21 und den Signalaufnehmer15 in Richtung des Ankers30 zu drücken, wodurch eine axiale Vorspannung des Wälzlagers1 ermöglicht ist. - In
4 ist der Motor28 teilweise schematisch dargestellt. Das von dem Wälzlager1 abgewandte Ende der Welle29 ist mit einem ohne Messeinrichtung ausgestatteten Wälzlager35 herkömmlicher Bauart mit einer Reihe von Wälzkörpern ausgerüstet, zu dem gehören: ein Außenring36 , eine Reihe von Wälzkörpern37 , in diesem Fall Kugeln, ein durch Presssitz mit der Welle29 starr verbundener Innenring38 und ein Dichtungselement39 , das mit dem Außenring36 starr verbunden ist und mit dem Innenring38 einen engen Spalt bildet. Der Außenring36 ist in dem Motorgehäuse31 befestigt, das einen rohrförmigen Abschnitt40 und einen radialen Abschnitt41 aufweist, der an dem Ende des rohrförmigen Abschnitts40 gegenüber dem Anker30 angeordnet ist, wobei ein zentraler Durchlass offen gelassen ist, in den die Welle29 ragt. Der Außenring36 des Wälzlagers35 kann mit Kraft in den rohrförmigen Abschnitt40 eingesteckt sein. Selbstverständlich sind die unterschiedlichen Teile des Gehäuses32 ,33 ,40 und41 auf eine nicht ge zeigte Weise fest miteinander verbunden. - Die durch das axiale Vorspannelement
25 ausgeübte axiale Vorspannkraft wird ausgehend von dem Außenring2 des Wälzlagers1 über die Wälzkörper6 auf den Innenring4 , anschließend auf die Welle29 , von dort auf den Innenring38 des Wälzlagers35 , weiter auf die Wälzkörper37 und schließlich auf den Außenring36 übertragen. Es ist klar, dass es das Vorhandensein lediglich eines axialen Vorspannelements25 ermöglicht, das Wälzlager1 und das Wälzlager35 in axialer Richtung vorzuspannen, wobei unterschiedliche Ausdehnungen der im Wesentlichen aus Stahl bestehenden Welle und des im Allgemeinen auf der Grundlage von Aluminium gefertigten Gehäuses ausgeglichen werden, wobei das Wälzlager1 in der Lage ist, gegenüber dem Gehäuse, in dem es sitzt, in axialer Richtung zu gleiten. - Der Zusammenbau des Wälzlagers
1 wird wie folgt durchgeführt. Die Platine21 wird in den zylindrischen Innenraum19 des Signalaufnehmers15 eingeführt, bis sie gegen die Schulter20 in Anlage kommt. Anschließend wird das axiale Vorspannelement25 in dem zylindrischen Innenraum19 gegen die Platine21 positioniert. Dann werden unter Einsatz von Hitze die mit dem freien Ende des rohrförmigen Abschnitts18 des Signalaufnehmers15 einstückig ausgebildeten Zapfen verformt, um die Haltefinger26 und27 zu bilden, die die endgültige Position und den axialen Halt der Platine21 und des axialen Vorspannelements25 sicherstellen. - Das axiale Haltelement
25 befindet sich auf diese Weise in Anlage mit einen Motorabschnitt, der gegenüber dem Wälzlager außen liegt, und übt durch Reaktionskaft eine axiale Vorspannkraft (auf) den stillstehenden Ring, die Wälzkörper und den umlaufenden Ring aus. Das Wälzlager ist in axialer Richtung vorgespannt. In der veranschaulichten Art der Herstellung wird die Vorspannkraft über die Platine21 und den Signalaufnehmer15 übertragen, allerdings ist es auch möglich, eine unmittelbare Berührung des Axialhalteelements25 mit dem Signalaufnehmer15 oder auch mit dem stillstehenden Ring vorzusehen. - Abhängig von der Maschine für die das Wälzlager bestimmt ist, könnte selbstverständlich ein umlaufender Außenring und ein stillstehender Innenring vorgesehen sein. Die Begriffe "umlaufend" und "stillstehend" sind relativ zu verstehen.
- Die auf diese Weise geschaffene Einheit ist besonders kompakt. Sie lässt sich problemlos ohne die Gefahr des Verlustes der Federscheibe transportieren und handhaben. Der Motorhersteller hat ein Element weniger zu bevorraten, zu verwalten und einzubauen. Die Montage der Einheit in den Motor ist insbesondere erleichtert und erfordert keine speziellen Vorkehrungen. Auf diese Weise werden mit einer einzigen Wälzlagereinheit die Lagerfunktion, die Funktion einer elektronischen Erfassung, beispielsweise das Erfassen der Geschwindigkeit oder der Winkelstellung, und die mechanische Funktion des axialen Vorspannens des Motorlagers sichergestellt.
Claims (14)
- Mit einer Messeinrichtung ausgestattete Lageranordnung (
1 ), zu der gehören: ein stillstehender Ring (2 ), ein umlaufender Ring (4 ), wenigstens eine Reihe von Wälzkörpern (6 ), die zwischen zwei Laufbahnen (3 ,5 ) des stillstehenden Rings (2 ) und des umlaufenden Rings eingefügt sind, eine Sensoranordnung (10 ) zum Erfassen von Rotationsparametern, die einen stillstehenden Aufnehmer (12 ) und ein umlaufender ringförmiger Kodierer (11 ) aufweist, und ein elastisches Glied (25 ) zum axialen Vorspannen des Wälzlagers, wobei die Vorspannung über die Wälzkörper übertragen wird und das elastische Glied (25 ) eine ringförmige Gestalt und einen Durchmesser aufweist, der kleiner oder gleich dem des Außenrings des Wälzlagers ist und wobei das elastische Glied (25 ) eine Anlagefläche trägt, die mit einem äußeren Element der Anordnung in Berührung steht, um auf den stillstehenden Ring (2 ) eine axiale Reaktionskraft in entgegengesetzter Richtung zu der Sensoranordnung (10 ) auszuüben, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied (25 ) in axialer Richtung an der Aufnehmeranordnung aufgenommen ist und dass die Axialkraft mittelbar oder unmittelbar ausgeübt wird. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied (
25 ) eine gewellte Scheibe ist. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied eine Tellerfederscheibe ist.
- Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied eine Scheibe ist, die mit elastischen Zungen versehen ist.
- Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnehmeranordnung (
12 ) einen Grundköper aufweist, der mit Haltemitteln für das elastische Glied (25 ) versehen ist. - Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltemittel wenigstens einen Finger (
27 ) umfassen. - Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnehmeranordnung (
12 ) eine gedruckte Schaltung (21 ) und wenigstens ein Aufnehmerelement (22 ) aufweist, das auf der gedruckten Schaltung sitzt und dass das elastische Glied (25 ) mit der gedruckten Schaltung auf der von dem Aufnehmerelement (22 ) abliegenden Seite in Berührung steht. - Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied (
25 ) in axialer Richtung zwischen der gedruckten Schaltung (21 ) und den Haltemitteln des elastischen Gliedes (25 ) angeordnet ist, das ein Teil der Aufnehmeranordnung (12 ) bildet. - Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzköper (
6 ) die axiale Vorspannkraft übertragen. - Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied (
25 ), das das Wälzlager unter Vorspannung setzt, den stillstehenden Ring (2 ) in Richtung von der Messanordnung für Rotationsparameter (10 ) weg drückt. - Messanordnung (
10 ) für Rotationsparameter, die dazu eingerichtet ist, in einem Lager montiert zu sein und zu der ein stillstehender Aufnehmer (12 ), ein umlaufender ringförmiger Kodierer (11 ) und ein elastisches Glied (25 ), das axial unter Vorspannung sitzt, gehören, wobei das elastische Glied (25 ) eine ringförmige Gestalt hat, einen kleineren oder den gleichen Durchmesser aufweist wie die Sensoranordnung, und eine Anlagefläche trägt, die dazu vorgesehen ist mit einem Außenelement der Anordnung in Eingriff zu kommen um eine axiale Reaktionskraft auf die Sensoranordnung in einer Richtung auszuüben, die der Sensoranordnung (10 ) entgegen gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied (25 ) in axialer Richtung auf der Aufnehmeranordnung (12 ) gehalten ist und dass die Axialkraft direkt oder indirekt ausgeübt wird. - Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied (
25 ) eine Scheibe aufweist. - Elektromotor (
28 ) mit einem Anker (30 ), einem Stator und einem mit Sensoren ausgerüsteten Lager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10. - Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Glied (
25 ) zwischen der Aufnehmeranordnung (12 ) und einem stillstehenden Teil des Motors angeordnet ist.
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