DE60318442T2

DE60318442T2 - Mit einem sensor ausgestattetes wälzlager und damit ausgerüsteter elektromotor

Info

Publication number: DE60318442T2
Application number: DE60318442T
Authority: DE
Inventors: Samuel Gallion; Patrick Lauferon
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2023-06-28
Also published as: JP4965074B2; EP1518126A2; AU2003263258A8; US20060104558A1; EP1518126B1; AU2003263258A1; JP2005531779A; DK1518126T3; FR2841990B1; WO2004005937A3; ATE382866T1; US7429133B2; WO2004005937A2; FR2841990A1; DE60318442D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, bei dem ein umlaufendes Element des Lagers einen Impulsgeber trägt, und ein stillstehender Abschnitt des Lagers einen Aufnehmer trägt, mit dem Ziel, bestimmte Rotationsparameter, wie die Geschwindigkeit oder die Winkelstellung des den Impulsgeber tragenden umlaufenden Elements, zu erfassen.
Derartige Einrichtungen finden ihre Verwendung auf zahlreichen Gebiete, beispielsweise in Elektromotoren, bei denen sie unter schwierigen Geschwindigkeits- und Temperaturbedingungen funktionieren müssen.
Aus der FR-A-2 754 903 ist ein Wälzlager bekannt, das einen mit dem stillstehenden Ring verbundenen Aufnehmer in Form einer Hall-Effekt-Sonde und einen mit dem umlaufenden Ring verbundenen Impulsgeber enthält, der an dem Aufnehmer durch einen schmalen Luftspalt von diesem getrennt rotierend vorbeiläuft, wobei der Impulsgeber in der Lage ist, in dem Aufnehmer ein periodisches Signal zu erzeugen, dessen Frequenz proportional zu der Drehzahl des umlaufenden Rings ist.
Der Impulsgeber basiert auf einem ringförmigen aktiven Abschnitt, der unter Verwendung eines Kunststoffs mit magnetischen Partikeln hergestellt ist und mit einem dem Aufnehmer gegenüberliegend angeordneten aktiven Bereich versehen ist, vervollständigt durch einen Versteifungsabschnitt, der aus zwei ringförmigen Elemente aufgebaut ist, die zu beiden Seiten des aktiven Bereichs mit dem aktiven Abschnitt in Berührung stehend angeordnet sind. Ein solches Wälzlager ist im Allgemeinen, insbesondere auf dem Gebiet von Elektromotoren zufriedenstellend. Allerdings lässt sich dieser Typ von Impulsgeber nicht bei hohen Temperaturen jenseits von 120° einsetzen. Der Aufnehmer und der Impulsgeber arbeiten nicht zufriedenstellend, wenn sie äußeren Magnetfeldern hoher Intensität ausgesetzt sind, beispielsweise Magnetfeldern, wie sie durch die Spulen des Stators von Elektromotoren und/oder durch die in den Motoren integrierte Wirbelstrombremse hervorgerufen werden. Schließlich ist die axiale Kompaktheit des in dieser Weise mit einer Messanordnung ausgestatteten Wälzlagers nicht optimal und erschwert dessen Einbau.
Bei leistungsstarken Asynchronmotoren erfordert die Steuerung des Motors ein Erfassen der Rotationsparameter des Motors. In der Praxis ist es erforderlich, die Geschwindigkeit und Drehrichtung des Ankers zu kennen, um eine Anpassung der Frequenz sowie der Amplitude und Phasenlage des in die Spulen des Stators eingespeisten Stroms zu ermöglichen. Die Verwendung eines Impulsgebers in mehrpoliger Bauart in Zusammenhang mit einer Hall-Effekt-Sonde lässt sich lediglich für Anwendungen einsetzen, bei denen die Kraft und die Ansprüche an die Präzision der Steuerung verhältnismäßig gering sind, beispielsweise für einen Lüftungsmotor, der im Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit läuft.
Es sind ferner Aufnehmer-Impulsgeber-Systeme optischer Bauart bekannt, beispielsweise industrielle Codegeber, die allerdings für den Einbau in einen Motor nicht geeignet sind, ein mechanisches Zwischenglied für den Antrieb durch den Elektromotor erfordern und verhältnismäßig stoß- und temperaturempfindlich sind.
Die DE 100 11 820 beschreibt eine Messeinrichtung für Wälzlager mit einer Spule, die ein von einem Impulsgeber stammendes elektromagnetisches Signal aufnimmt und mit einer Aufnehmerspule elektromagnetisch zusammenwirkt, wobei der Aufnehmer von dem Lager getrennt ist.
Der Artikel "Coil-based micromachined sensor measures speed and position for automotive applications", Electronic Design, Ponton Publishing, Cleveland, OH, US, Bd. 44, Nr. 26, vom 16. Dezember 1996, S. 34–35, 37, XP000682027 ISSN: 0013-4872, beschreibt ein induktives Aufnehmersystem, das eine Spule zur Generierung und zwei nebeneinander angeordnete Spulen zur Erfassung enthält. Diese Abhandlung zielt darauf ab, den Raumbedarf, die Kosten und durch äußeren Bewurf hervorgerufene Verunreinigung für eine ABS-Anwendung zu reduzieren.
Die GB 2 312 290 beschreibt ein mit einem Drehzahlgeber versehenes Wälzlager für ABS-Systeme. Das Wälzlager enthält einen Innenring, einen Außenring, eine an dem Innenring befestigte Lochscheibe und einen Aufnehmer, der auf der Innenseite eines an dem Außenring angebrachten Deckels sitzt. Der Aufnehmer ist in Kunstharz eingebettet. Der Aufnehmer enthält einen Permanentmagneten, eine Halleffektzelle oder ein sonstiges Detektionselement, beispielsweise ein magnetisches Widerstandselement.
Die FR 2 655 735 beschreibt eine Drehzahlgebereinrichtung mit einem den Stator bildenden Element, das mit einer Wicklung versehen ist, die als mäanderförmig ver laufender Leiter einer gedruckten Schaltung ausgebildet ist, deren Substrat eine nachgiebige dünne Folie ist, die in der Lage ist, sich an die Form des Statorelements anzuschmiegen, und an diesem vorzugsweise durch Kleben befestigt ist. Der Aufnehmer ist mit einem oder zwei 90°-Bögen versehen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit Sensoren ausgerüstetes Lager zu schaffen, das in axialer Richtung sehr kompakt ist, das geeignet ist, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, während eine exakte Erfassung erzielt wird, und zwar auch dann, wenn diese starken magnetischen Feldern unterworfen sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung gehören zu der mit einer Messanordnung ausgestatteten Lagereinrichtung: ein umlaufender Abschnitt mit wenigstens einem Ring, ein stillstehender Abschnitt mit wenigstens einem Ring und eine Anordnung zum Erfassen von Rotationsparametern, die einen Impulsgeber und einen Aufnehmer enthält, der starr mit dem stillstehenden Abschnitt verbunden und mit einem Sensorabschnitt versehen ist, der an einem Ring des stillstehenden Abschnitts angebracht ist, wobei der Sensorabschnitt einen Signalaufnehmer aufweist und mit einem Übertragungskabel verbunden ist. Der Aufnehmer enthält wenigstens eine Mikroempfangspule und eine Mikrosendespule. Diese Mikrospulen sind vom Typ einer im Wesentlichen ebenen Wicklung. Diese Mikrospulen sind auf einem Träger für einen Schaltkreis angeordnet, der in dem Signalaufnehmer des stillstehenden Abschnitts angebracht ist, so dass die Mikrospulen dem Impulsgeber axial gegenüber zu liegen kommen, wobei der Träger ein Substrat einer gedruckten Schaltung ist. Die Mikrosendespule umgibt die eine oder mehreren Mikroemp fangspulen.
Vorteilhafterweise ergibt sich auf diese Weise eine zufriedenstellende axiale Kompaktheit.
In einem Ausführungsbeispiel enthält die Einrichtung im Wesentlichen koplanare radiale Mikroempfangsspulen. Der Aufnehmer ist daher in der Lage, eine präzise Erfassung zu erzielen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Einrichtung mehrere Mikroempfangsspulen, die in mehreren parallelen Radialebenen angeordnet sind. Auf diese Weise ist es möglich, über eine höhere Anzahl von Empfangspulen zu verfügen, die eine höhere Präzision sicherstellen.
Die Sendespule kann auch eine Mikrospule sein, die vorzugsweise vom Typ einer ebenen Wicklung ist.
Die Sendespule, die Empfangseulen und der auf dem Träger angeordnete Datenverarbeitungsschaltkreis ermöglichen es, eine zufriedenstellende axiale Kompaktheit zu bewahren. Die Spulen können basierend auf der Technologie gedruckter Schaltungen hergestellt sein. Der Träger kann ein Substrat einer gedruckten Schaltung in Gestalt einer Kunstharzplatine sein. Mit anderen Worten, der Aufnehmer weist aktive und/oder passive Elemente auf, die in einem einzigen mit dem stillstehenden Abschnitt verbundenen Modul vereinigt sind.
Vorteilhafterweise enthält die Einrichtung mehrere Mikrospulen, die paarweise zugeordnet und in Umfangsrichtung versetzt sind, um ein differentielles Signal hervor zurufen. Der Impulsgeber kann ein Kodierrad enthalten, dessen aktiver Bereich aus einem elektrisch leitenden Metall hergestellt ist.
Vorteilhafterweise enthält der Impulsgeber eine gedruckte Schaltung, deren Substrat ringförmig ist und mit metallisierten Sektoren und mit nicht metallisierten Sektoren ausgebildet ist. Die gedruckte Schaltung lässt sich an einem stillstehenden Ring des Wälzlagers anbringen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Impulsgeber ein mit Fenstern oder Zähnen ausgebildetes Kodierrad, das an einem umlaufenden Ring des Wälzlagers befestigt ist. Der Impulsgeber kann einstückig hergestellt sein. Der Impulsgeber kann als Blechstanz- und -biegeteil hergestellt sein. Ein derartiger Impulsgeber ist geeignet bei hohen Temperaturen zu arbeiten. In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff "Fenster" Öffnungen, die in dem Impulsgeber zwischen zwei in Umfangsrichtung nicht unterbrochenen Abschnitten ausgebildet sind. Mit dem Begriff "Zähne" sind Werkstoffabschnitte bezeichnet, die mit einem in Umfangsrichtung nicht unterbrochenen Abschnitt des Impulsgebers starr verbunden sind. Der Impulsgeber kann einen axialen Abschnitt, der auf einem zylindrischen Sitz des umlaufenden Rings aufgesteckt ist, und einen sich in Richtung des anderen Rings erstreckenden radialen Abschnitt aufweisen, in dem Fenster oder Zähne ausgebildet sind.
Im Hinblick auf die Kompaktheit ist es sinnvoll dafür zu sorgen, dass wenigstens ein Abschnitt des Impulsgebers in dem zwischen den Lagerringen vorhandenen Raum angeordnet ist, d. h. in radialer Richtung zwischen den zylindrischen Ringflächen, die sich zwischen den Wälzlagerlaufflächen und den die Ringe eingrenzenden Stirnflächen erstrecken, und in axialer Richtung im Bereich der besagten zylindrischen Flächen zwischen den Wälzkörpern und den vorderen Radialflächen der Ringe des Wälzlagers.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Impulsgeber außerhalb des zwischen den Lagerringen angeordneten Raums angeordnet.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Signalaufnehmer ringförmig.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung besetzt der Signalaufnehmer einen Winkelsektor, der kleiner als 360° ist, beispielsweise in der Größenordnung von 120°.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Datenverarbeitungsschaltkreis ein speziell hergestellter Chip (ASIC).
Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor zu schaffen, zu dem ein Anker, ein Stator, wenigstens ein Wälzlager des Ankertraglagers und eine Aufnehmeranordnung mit einem Impulsgeber und einem Aufnehmer gehören.
Der Aufnehmer ist starr mit dem stillstehenden Abschnitt verbunden und mit einem Sensorabschnitt versehen, der an einem Ring des stillstehenden Abschnitts angebracht ist, wobei der Sensorabschnitt einen Signalaufnehmer aufweist und mit einem Übertragungskabel verbunden ist. Der Aufnehmer enthält wenigstens eine Mikroempfangspule und eine Mikrosendespule. Diese Mikrospulen sind im Wesentlichen eben gewickelt. Diese Mikrospulen sind auf einem Träger für einen Schaltkreis angeordnet, der in dem Signalaufnehmer des stillstehenden Abschnitts angebracht ist, so dass die Mikrospulen dem Impulsgeber axial gegenüber zu liegen kommen, wobei der Träger ein Substrat einer gedruckten Schaltung ist. Die Mikrosendespule umgibt die eine oder mehreren Mikroempfangspulen.
Im Allgemeinen enthält das Wälzlager einen Außenring, der starr mit dem Stator verbunden ist und den Signalaufnehmer trägt, und einen umlaufenden Innenring, der starr mit dem Anker verbunden ist und den Impulsgeber trägt. Der Motor kann ein leistungsstarker Asynchronmotor sein, für den eine Verfeinerung der Steuerung erzielt werden soll, indem die Rotationsparameter exakt gemessen werden.
In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet "Mikrospule" eine Spulenwicklung, die bei einer Schaltung, beispielsweise in Form eines Kupferleiters auf einem Substrat einer gedruckten Schaltung, ausgebildet ist. Die Dicke der Leiterplatte und der Mikrospule liegt in der Größenordnung von 1 mm.
Die vorliegende Erfindung erschließt sich beim Lesen der Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in keiner Weise beschränken sollen, in Verbindung mit den beigefügten Figuren:
1 zeigt in einem Längsschnitt ein mit einer Messeinrichtung ausgestattetes Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt eine Teilansicht des Aufnehmers nach 1;
3 zeigt eine Seitenansicht des Impulsgebers nach 1;
4 zeigt eine Seitenansicht einer Abwandlung eines Impulsgebers;
5 zeigt in einem Längsschnitt ein mit einer Messeinrichtung ausgestattetes Lager gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
6 zeigt eine Seitenansicht des Impulsgebers nach 5; und
7 zeigt ein Schaltschema des Aufnehmers.
Wie in 1 dargestellt, enthält das Wälzlager 1 einen Außenring 2, einen Innenring 3, einen Kranz von Wälzkörpern 4, in diesem Fall Kugeln, die zwischen dem Außenring 2 und dem Innenring 3 angeordnet sind und durch einen Käfig 5 auf Abstand gehalten werden, eine Dichtungsanordnung 6 auf einer seiner Seiten und auf der entgegengesetzten Seite einen mit dem Außenring 2 starr verbundenen Geschwindigkeitsaufnehmer 5 sowie einen mit dem Innenring 3 starr verbundenen Impulsgeber 8.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Außenring stillstehend und der Innenring ist umlaufend. Allerdings kommt die inverse Anordnung ebenso vollkommen in Betracht.
Der Aufnehmer 7 enthält einen in 2 eingehender dargestellten Sensorabschnitt 9, einen Trägerblock 10 aus Kunststoff und ein metallisches Element 11, das auf einem Sitz des Außenrings 2 befestigt ist, hier in der Nut, die gewöhnlich zur Befestigung der Dichtungsanordnung dient, die in den nicht mit einer Messanordnung ausgestatteten Wälzlagern vorgesehen ist. Ein mit dem Sensorabschnitt 9 verbundenes Kabel 12 ermöglicht es, Geschwindigkeits- und/oder Positionsdaten oder ganz allgemein Rotationsparameter an nicht dargestellte andere Einheiten zu übertragen, die in der Lage sind, solche Daten zu nutzen.
Der Impulsgeber 8 enthält, wie in 1 und 3 gezeigt, einen Trägerabschnitt 13 und einen operativen Abschnitt 14. Der Trägerabschnitt 13 ist rohrförmig auf einem zylindrischen Sitz 3a des Innenrings 3 aufgesteckt, der zwischen der in Berührung mit den Wälzkörpern 4 stehenden Wälzlagerlauffläche 3b und einer Radialfläche 3c ausgebildet ist, die auf der dem Aufnehmer zugewandten Seite das Ende des Innenrings 3 in axialer Richtung bildet.
Der operative Abschnitt 14 erstreckt sich radial und weist eine Vielzahl von rechteckig gestalteten, in radialer Richtung verlängerten Fenstern 15 auf, die an dem Ende des Außenumfangs des operativen Abschnitts 14 einen kreisförmigen kontinuierlichen Abschnitt 16 bestehen lassen. Der operative Abschnitt 14 und der Trägerabschnitt 13 sind einstückig hergestellt, was eine kostengünstige und besonders robuste Konstruktion ermöglicht. Der Impulsgeber 8 kann mittels Biege- und Stanzschritten aus Blech hergestellt werden.
Es ist zu sehen, dass der operative Abschnitt 14 gegenüber der Radialfläche 3c des Innenrings 3 geringfügig zurückgesetzt ist. Der Impulsgeber 8 ist daher besonders kompakt und befindet sich in dem Raum, der in radialer Richtung zwischen den Ringen 2 und 3 des Wälzlagers und in axialer Richtung zwischen den Wälzkörpern 4 und der Radialebene definiert wird, in der die Außenflächen 2c, 3c der Ringe 2 und 3 liegen.
Der Sensorabschnitt 9 des Aufnehmers 7 enthält einen Träger 17, auf dem ein zur Datenverarbeitung dienender integrierter Schaltkreis 18, beispielsweise ein ASIC, eine auch als Erregerspule bezeichnete Mikrosendespule 19 und vier Mikroempfangsspulen 20 angebracht sind. Der Schaltkreis weist ferner eine Anzahl von nicht gezeigten Filterbauelementen auf, beispielsweise Kondensatoren, Widerstände, usw. Der Sensorabschnitt 9 ist in axialer Richtung in geringem Abstand von dem operativen Abschnitt 14 des Impulsgebers 8 angeordnet und besetzt einen Winkelsektor in der Größenordnung von 120°, wobei er in dem Trägerblock 10 vollkommen eingebettet ist, der ringförmig ist. Erforderlichenfalls könnte ein ununterbrochener Winkelbereich von 360° vorgesehen sein. Der Sensorabschnitt 9 weist eine Stirnseite auf, die nicht von dem Material des Trägerblock 10 bedeckt ist und die dem Impulsgeber 8 gegenüber liegt.
Die Mikrospulen 19 und 20 sind als ebene Wicklung ausgeführt und können in Form einer gedruckten Schaltung oder auch eines integrierten Schaltkreises ausgebildet sein. Die ebene Gestalt der Wicklungen stellt eine ausgezeichnete axiale Kompaktheit für den Aufnehmer 7 sicher. Weiter weisen die Empfangseulen 20 einen quadratischen äußeren Umriss auf und sind auf dem durch den Träger 17 gebildeten Kreisbogen nacheinander angeordnete, wohingegen die Sendespule 19 die Empfangspulen 20 umgibt und eine Kreisbogengestalt aufweist. Die Spulen 19 und 20 sind mit dem Datenverarbeitungsschaltkreis 18 verbunden, der seinerseits auf eine nicht gezeigte Weise mit dem Kabel 12 verbunden ist.
Das metallische Element 11 enthält einen krallenförmigen Abschnitt 11a, der in die Nut des Außenrings 2 eingebördelt ist, die im Allgemeinen zur Befestigung eines Dichtungselements dient, das in einem nicht mit einer Messanordnung ausgestatteten Wälzlager nach dem Stand der Technik symmetrisch zu der Dichtungsanordnung 6 angeordnet ist.
Das metallische Element 11 wird durch einen kurzen radialen Abschnitt, der sich von dem Abschnitt 11a ausgehend nach außen erstreckt und der auf der einen Seite mit der radialen Außenfläche 2c des Außenrings 2 und auf der anderen Seite mit dem Trägerblock 10 des Aufnehmers 7 in Berührung steht, und durch einen axialen Abschnitt 11c vervollständigt, der sich von dem freien Ende des radialen Abschnitts 11b ausgehend erstreckt, der den Trägerblock 10 mit Ausnahme des Bereichs des Kabelausgang 12 radial umgibt, wo vorgesehen ist, dass sich der Trägerblock 10 nach außen erstreckt, wobei er einen Vorsprung 21 bildet, der das Kabel 12 umgibt und dessen Abgang schützt.
Der Trägerblock 10 ist aus Kunststoff hergestellt und weist eine im wesenlichen ringförmige Gestalt auf, wobei der Vorsprung 21 aus seinem Umfang hervorragt, und ist mit einer von seiner radialen Stirnfläche auf der Seite des Wälzlagers ausgehenden axialen Vertiefung ausgestattet, die einen Sitz für den Sensorabschnitt 9 bildet, indem sie ihn auf seiner dem Wälzlager gegenüberliegenden Stirnfläche und in radialer Richtung auf seiner Dicke bedeckt. Der Trägerblock 10 und der Sensorabschnitt 9 sind starr verbunden. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel könnte der Trägerblock 10 aus Metall hergestellt sein.
4 veranschaulicht eine Abwandlung des Impulsgebers, wobei der Trägerabschnitt 13 identisch mit demjenigen des vorausgehenden Ausführungsbeispiels ist, und wobei der sich von dem Trägerabschnitt 13 aus in radialer Richtung nach außen erstreckende operative Abschnitt 14 durch eine Vielzahl von Zähnen 22 gebildet ist, die im Allgemeinen rechteckig und in radialer Richtung länglich gestaltet sind, deren Umfang kreisförmig ist, und die zwischen sich geringfügig trapezförmige zinnenförmige Lücken 23 bilden.
Die Funktionsweise der Aufnehmer-Impulsgeber-Anordnung in den beiden Ausführungsbeispielen ist ähnlich.
Die Empfangsspulen 20 werden durch die mit einem Oszillator verbundene Sendespule 19 elektrisch erregt.
Die Sendespule 19 erzeugt durch Induktion in den Empfangseulen 20 ein elektrisches Signal.
Während der Rotation des Impulsgebers 8 ruft der Vorbeilauf der Fenster und der massiven Abschnitte des operativen Abschnitts 14 vor den Mikrospulen eine Änderung der vor jeder Mikroempfangspule 20 vorhandenen Metallmasse hervor.
Hierdurch kommt es in den Empfangseulen 20 zu einer Phasenänderung des induzierten elektrischen Signals auf grund von Wirbelstromverlusten.
Diese von den unterschiedliche Empfangseulen 20 ausgegebenen und durch den Schaltkreis 18 verarbeiteten Änderungen des elektrischen Signals bilden die Grundlage der Erzeugung von Signalen, die Rotationsparameter des Impulsgebers 8, beispielsweise die Drehzahl, kennzeichnen.
Der Mikrospulenaufnehmer ermöglicht es dem mit einer Messeinrichtung ausgestatteten Wälzlager zuverlässige Daten zu liefern, und zwar auch dann, wenn Magnetfelder hoher Intensität vorhanden sind.
Der Impulsgeber kann aus einem metallischen Werkstoff, der elektrisch leitend und magnetisch ist, wie Stahl, oder auch elektrisch leitend und nicht magnetisch ist, wie Aluminium oder Kupfer, hergestellt sein.
Die Mikroempfangsspulen 20 arbeiten paarweise, um ein differentielles Signal zu liefern. Die Mikroempfangsspulen 20 des einen Paares sind in Umfangsrichtung um einen mit β bezeichneten Winkel versetzt, und die Winkelschrittweite der Fenster ist mit Φ bezeichnet. Eine Bedingung, um eine Phasenverschiebung des Signals hervorzurufen ist, dass einer dieser Winkel kein Vielfaches des anderen ist. Es gilt also β ≠⁣ a·Φ, mit a gleich einer beliebigen ganzen Zahl, wobei der Winkel β im Allgemeinen größer als Φ ist. Beispielsweise wäre es möglich 3 = (a + 0,5)·Φ oder β = (a + 0,25)·Φ zu wählen.
Wenn der Impulsgeber rotierend vor dem Aufnehmer vorbeiläuft rufen die Diskontinuitäten des Materials des operativen Abschnitts 14 periodische Änderungen der den Mikroempfangsspulen 20 gegenüber liegenden Metallmasse hervor. In Abwesenheit von metallischem Material vor jeder der Spulen eines Paares von Empfangseulen, ist die Phasendifferenz zwischen den beiden differenziellen Spulen gleich Null. Falls metallisches Material vor wenigstens einer der ein Paar bildenden beiden Empfangseulen vorhanden ist, und das metallische Material unterschiedlich vor jeder Spule verteilt ist, werden die Verluste, die aufgrund der in dem metallischen Material vorhandenen Wirbelströme auftreten, eine Phasendifferenz der Ströme erzeugen. Diese Phasenänderung kann dann durch den Verarbeitungsschaltkreis 18 ausgewertet und auf einfache Weise extrahiert werden, um die gewünschten Daten, wie die Winkelgeschwindigkeit, die Drehrichtung, die Stellung, usw. zu erhalten.
Die Erzeugung des elektrischen Signals hängt daher nicht von dem Pegel oder der Richtung eines durch die Mikrospulen aufgenommenen Magnetfelds ab, sondern von der Änderung der Ströme, die durch die Erregerspule 19 in der Empfangseulen 20 bei Vorhandensein von Änderungen der elektrisch leitenden metallischen Massen, die vor den Mikrospulen vorbeilaufen, induziert werden. Das Signal ist folglich gegenüber externen Magnetfeldern äußerst unempfindlich, was der erfindungsgemäßen Einrichtung eine sehr gute Fähigkeit verleiht, in einer Umgebung zu arbeiten, die starken Magnetfeldern, wie Elektromotoren, ausgesetzt ist. Die Empfangseulen 20 sind auf dem Träger 17 mit einer radialen Position und einer angemessenen Winkelschrittweite verteilt, um mit dem operativen Abschnitt 14 des Impulsgebers 8 zusammenzuwirken und die gewünschten Signale zu liefern. Erforderlichenfalls kann die Anzahl der Empfangspulen 20 in Umfangsrichtung erhöht werden, oder auch ein Stapeln von mehreren Spulen in axialer Richtung verwendet werden, um stärkere Signale zu erhalten.
Da sowohl die Dicke der Mikrospulen als auch jene des Verarbeitungsschaltkreises 18 sehr gering ist, weist der Aufnehmer 7 erheblich reduzierte axiale Abmessungen auf, was einen Einbau in einen Signalaufnehmer 10 erlaubt, der selbst sehr geringe axiale Abmessungen aufweist. Außerdem kann der Impulsgeber aufgrund seiner Konstruktion eine sehr geringe axiale Dicke aufweisen und problemlos in dem zwischen den Ringen des Wälzlagers vorhandenen Raum integriert werden, so dass der Impulsgeber die Außenabmessungen des mit einer Messeinrichtung ausgestatteten Wälzlagers nicht nachteilig beeinflusst.
5 und 6 zeigen eine Abwandlung mit einem Impulsgeber 8, der auf der Grundlage der Technik einer gedruckten Schaltung hergestellt ist. Ausgehend von einem herkömmlichen Substrat einer gedruckten Schaltung, das mit einer, beispielsweise auf Kupfer basierenden, dünnen metallischen Schicht versehen ist, wird eine Scheibe erzeugt, die eine Wechselfolge von metallisierten Sektoren 8a und von nicht metallisierten Sektoren 8b aufweist. Das Substrat ist elektrisch nicht leitend, und die metallisierten Sektoren 8a sind elektrisch leitend.
Diese Scheibe wird durch geeignete Mittel (Aufstecken/Einstecken und/oder Kleben) an einem axialen Abschnitt 3d befestigt, der zu diesem Zweck auf dem umlaufenden Ring 3 des Wälzlagers 1 ausgebildet ist. Diese Bauart eines Kodierrades weist eine geringe träge Masse und eine sehr hohe axiale Kompaktheit auf, und die Umrisse der aktiven Abschnitte lassen sich mit sehr hoher Präzision erzeugen. Das resultierende Signal ist folglich sehr zuverlässig.
7 veranschaulicht die elektrischen Funktionen des Systems mehr im Detail. Es ist zu sehen, dass die Empfangspulen 20 in zwei Paaren gruppiert sind, die mit 24 und 25 bezeichnet und durch einen gestrichelt gezeichneten Rahmen dargestellt sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Zeichnung sind die Empfangsspulenpaare 24 und 25 außerhalb der Erregersendespule dargestellt, obwohl sie in Wirklichkeit im Inneren der Sendespule 19 angeordnet sind.
Die Spulen 19 und 20 sind an den Verarbeitungsschaltkreis 18 angeschlossen. Der Verarbeitungsschaltkreis 18 enthält einen Oszillator 26, dessen Ausgang mit der Sendespule 19 verbunden ist, und zwei Phasendemodulatoren 27 und 28, die mit dem Ausgang jeder der Empfangsspulen 20 verbunden sind. Der Schaltkreis 18 enthält außerdem zwei Interpolatorkomparatoren 29, 30 (A/D Wandler), die jeweils an den Ausgang der Phasendemodulatoren 27 und 28 angeschlossen sind. Am Ausgang gibt der Verarbeitungsschaltkreis 18 ein nummerisches Signal aus, das wenigstens einen Rotationsparameter des Wälzlagers kennzeichnet, beispielsweise die Geschwindigkeit, die Stellung, die Drehrichtung, die Beschleunigung, usw.
Dementsprechend ist ein mit einer Messeinrichtung ausgestattetes Wälzlager geschaffen, das sich aufgrund seines geringen Raumbedarfs ohne weiteres in eine mechanische Vorrichtung integrieren lässt, für einen Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet ist, wie sie beispielsweise in eine Elektromotor vorkommen, und in der Lage ist, in einer Umgebung zu funktionieren, die starken Magnetfeldern ausgesetzt ist.
Diese Eigenschaften verleihen dem mit einer Messein richtung ausgestatteten Wälzlager erfindungsgemäß wichtige Fähigkeiten für dessen Verwendung in einem leistungsstarken asynchronen Elektromotor, wobei das mit einer Messeinrichtung ausgestattete Wälzlager in der Lage ist, sowohl die mechanische Funktion des Lagers als auch die für die Steuerung des Motors erforderlichen elektronischen Erfassungsfunktionen zu erfüllen.

Claims

Wälzlagereinrichtung mit Messanordnung, zu der gehören: ein umlaufender Abschnitt mit wenigstens einem Ring, ein stillstehender Abschnitt mit wenigstens einem Ring und eine Anordnung zum Erfassen von Rotationsparametern, die einen Impulsgeber (8) und einen Aufnehmer (7) enthält, der starr mit dem stillstehenden Abschnitt verbunden und mit einem Sensorabschnitt (9) versehen ist, der an einem Ring des stillstehenden Abschnitts angebracht ist, wobei der Sensorabschnitt einen Signalaufnehmer (10) aufweist und mit einem Übertragungskabel (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer wenigstens eine Mikroempfangspule (20) und eine Mikrosendespule (19) enthält, die beide im Wesentlichen eben gewickelt sind, wobei die Mikrospulen auf einem Träger (17) für einen Schaltkreis (18) angeordnet sind, der in dem Signalaufnehmer (10) des stillstehenden Abschnitts angebracht ist, so dass die Mikrospulen dem Impulsgeber (8) axial gegenüber zu liegen kommen, wobei der Träger (17) ein Substrat einer gedruckten Schaltung ist und die Mikrosendespule (19) die Mikroempfangspule(n)(20) umgibt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mehrere im Wesentlichen koplanare radiale Mikroempfangsspulen enthält.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mehrere Mikroempfangsspulen enthält, die in mehreren parallelen Radialebenen angeordnet sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mehrere paarweise zugeordnete Mikrospulen (24, 25) enthält, um ein differentielles Signal hervorzurufen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber ein Kodierrad enthält, dessen aktiver Bereich aus einem elektrisch leitenden Metall hergestellt ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber ein mit Fenstern oder Zähnen ausgebildetes Kodierrad enthält, das an einem umlaufenden Ring (3) des Wälzlagers befestigt ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber eine gedruckte Schaltung aufweist, deren ringförmiges Substrat mit metallisierten Sektoren und mit nicht metallisierten Sektoren ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gedruckte Schaltung an einem umlaufenden Ring des Wälzlagers angebracht ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt des Impulsgebers in dem zwischen den Lagerringen vorhandenen Raum angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber außerhalb des zwischen den Lagerringen angeordneten Raums angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalaufnehmer ringförmig ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalaufnehmer einen Winkelsektor besetzt, der kleiner als 360° ist.
Elektromotor, zu dem gehören: ein Anker, ein Stator, wenigstens ein Ankertraglager (1) und eine Anordnung zum Erfassen von Rotationsparametern, die einen Impulsgeber (8) und einen Aufnehmer (7) enthält, der mit einem Sensorabschnitt (9) versehen ist und der an einem Ring des stillstehenden Abschnitts angebracht ist, wobei der Sensorabschnitt einen Signalaufnehmer (10) aufweist und mit einem Übertragungskabel (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer (7) wenigstens eine Mikroempfangspule (20) und eine Mikrosendespule (19) enthält, die beide im Wesentlichen eben gewickelt sind, wobei die Mikrospulen auf einem Träger (17) eines Schaltkreises (18) angeordnet sind, der in dem Signalaufnehmer (10) angebracht ist, der so an dem Stator befestigt ist, dass die Mikrospulen dem Impulsgeber axial gegenüber zu liegen kommen, wobei der Träger (17) ein Substrat einer gedruckten Schaltung ist und die Mikrosendespule (19) die Mikroempfangspule(n)(20) umgibt.