CN102252029A - 具有传感器单元的滚动轴承装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚动轴承(01)，具有可旋转的轴承部件(04)和固定的轴承部件(05)以及与滚动轴承固定连接或直接集成到滚动轴承中的传感器单元(02)。所述传感器单元包括：可旋转地支承的第一传感器元件(08)，该第一传感器元件与可旋转的轴承部件(04)连接；位置固定的导电的第二传感器元件(09)，该第二传感器元件通过至少两个电容器板(11、12)构成电容器；用于在电容器板之间产生静电场的构件；用于分析电容器的电容量变化的处理和放大电子装置(13)。第一传感器元件设置在构成的电容器的电介质中，并且传感器元件中的至少一个带有第一实物量具，使得在传感器元件相对运动时产生电容器的电容量的变化。

Description

具有传感器单元的滚动轴承装置

技术领域

本发明涉及一种具有用于检测旋转的轴承部件的角度位置和/或转速的电容式传感器单元的滚动轴承装置。

背景技术

无论是用于检测物体的角度位置和转速的传感器，还是具有这种传感器的滚动轴承装置早就都被现有技术充分地公开。在这些已知的传感器中应用了磁阻的、光学的或电感的系统。

例如EP 0 395 783 A1公开了将滚动轴承中本来存在的部件(例如保持架)用作为交变极性的偶数个离散磁场的载体。这些部件的旋转通过一个或多个安装在本来存在的静止部件(例如静态的轴承环)上的霍尔效应传感器转化成电信号。

DE 101 05 824 A1公开了一种滚动轴承，通过它可以检测两个轴承环相对的旋转角度。所描述的轴承包括具有测量范围大于360°的旋转角度传感器。该传感器装置包括设置在滚动轴承的保持架上的第一刻度元件和与内环或外环抗旋转地连接的第二刻度元件。这些刻度元件具有光学编码并且通过光学传感器可探测。该系统非常容易受到污染影响。

DE 197 48 996 C1也涉及一种具有集成的传感器的球轴承。该传感器用于检测两个轴承环彼此间的相对运动。对此设置一个至少局部构造的磁极转子5，其与旋转的轴承部件相连。此外还有用于探测磁极转子的传感器。该磁极转子优选由可磁化的材料构成并且带有磁标记，这些磁标记可被磁阻传感器探测。

此外，已知借助加速度传感器求得滚动轴承的状态功能，这些加速传感器检测和分析滚动的滚动轴承的固体声。分析首要地用于识别滚动轴承的损坏。

另外现有技术公开了电容式接近开关，其例如用于区域监控或允许检测转速或旋转角度。在此，电容器板之间的电介质的变化引起电容量变化，该变化被相应地分析。为了在该方法中(转速测量)获得可用的结果，电容式传感器需要相对大的面积。

DE 600 16 395 T2公开了一种用于电容式地确定运动物体位置的改进的装置和方法。在此，在静电场中设置一个固定元件和一个运动元件。两个元件之一带有电作用的图案，其在运动元件旋转时调制元件之间的静电场。该场的变化被相应地分析。

发明内容

本发明的任务是实现一种具有传感器单元的滚动轴承，该传感器单元具有简单且非磁敏的结构以及不易受环境影响和污染影响。

该任务通过具有权利要求1的特征的滚动轴承装置解决。

本发明的有利的实施形式在从属权利要求中说明。

根据本发明的滚动轴承装置包括可旋转的轴承部件、固定的轴承部件和电容式传感器单元。传感器单元包括可旋转地支承的第一传感器元件(转子)，其与可旋转的轴承部件连接，此外还包括至少一个位置固定的导电的第二传感器元件(定子)。这样地构造电容式传感器单元，即通过转子在转子旋转实现电介质的局部变化。在此转子本身为电介质的组成成分。

另外传感器单元还包括用于产生优选为周期性的静电场的构件，该构件设置在电容器上。

定子和转子优选根据DE 600 16 395 T2所描述的电容式位移传感器的实施方式之一来构造。此文献已被明确地引用到本专利申请的公开内容中，因此这里可以不对定子和转子以及其相互作用进行详细描述。

定子例如可以包括两个板或盘，在它们之间设置转子。在此两个板构成电容器，转子构成电容器的电介质(与之间的空气层一起)。

定子也可仅由一个元件构成，转子设置在该元件对面。在此，两个电容器板设置在该一个定子元件上，而转子具有耦合板，其传导电场。两个构造在定子上的电容器板之一包括多个分布在圆周上的分段。其中一个电容器板用作静电场发送器，另一个用作接收器。当发送器被分成多个分段时，通过将交流电压在发送器的各个分段中相位移动地(phasenverschoben)馈入来产生静电场。当接收器被分成多个分段时，在认识馈入的场的情况下可以从电容器的输出功率中求出转子旋转角度的正弦和余弦。

两个传感器元件可相对旋转。两个传感器元件之一、优选转子具有实物量具

其在传感器元件相对运动时引起电容器电容量的变化或者说静电场的调制。在此，该实物量具由传感器元件的几何形状或例如由具有导电能力的、设有相应图案的覆盖层来构造。

此外传感器单元还有用于分析电容量变化的处理和放大电子装置。

本发明的优点尤其在于：具有集成的传感器单元的轴承装置的结构特别简单，可物美价廉地制造，而且不易受环境影响和污染影响，例如在润滑剂中的污染。

有利的是，在许多应用中取消了单独的角度测量系统，这样可以减少结构空间、成本以及安装时间。根据本发明的滚动轴承装置，即轴承-测量系统-结合体例如也可在同步电动机或异步电动机中为了电子换向以及确定增量的和绝对的角度而直接安装在电动机轴的轴承中。

在本发明的一种优选的实施方式中，实物量具由正弦形循环构成，该实物量具优选作为多个切口、凹部或通过不同的厚度分布、质量分布或传感器面之一或两个上的覆盖层来形成。实物量具的循环数目确定测量参数的基本分辨率。然后由基本分辨率乘以每个循环的内插系数可确定总分辨率。

在一些特别优选的实施方式中，第二实物量具设置在传感器面之一上。当第二实物量具为360°结构时，可以求出绝对角度位置。这点在第二实物量具的结构为这样的时候也是可能的，即构造其循环数目，使得细结构与粗结构的比例关于360°始终是单义的(例如16个循环的细结构、3个循环的粗结构)。

这样的一种实施方式也是可能的，即其仅设置了所描述的第二实物量具，而在此不存在被称为第一实物量具的那个。于是在精度较小的情况下例如在360°或120°上获得单义的角度配属，这在一些应用情况下是完全足够的。

通过结合实物量具可得到具有高精度和分辨率的单义的转子位置。

再通过其它的实物量具可以进行多通道的精调以及检测其它的轴承振动。于是这些实物量具应该从粗到细分级。

此外，电容器面的不同分段中的静电场具有不同的(例如相位移动的)分布被证明是有利的。

按本发明轴承装置承担引导实物量具或运动的传感器元件的任务以及接纳旋转的轴或旋转的部件，同时传感器单元直接耦联到轴承上。所以在许多应用情况下取消单独用于检测转速或旋转方向的传感器方案。

在本发明的一种有利的实施方式中，传感器单元被设置在单独的壳体中，该壳体完成安装地与滚动轴承可结合，传感器元件之一抗旋转地与滚动轴承的旋转的轴承部件连接。在这种情况下，有利的是通过该壳体可以实现传感器单元良好的电屏蔽。通过稳定的壳体部件将轴承预紧或者说将力轴向传递到轴承上。有利的是，传感器壳体和实物量具可以与轴承分开。例如出于维修目的或回收可需要这样做。

在本发明的一种特别有利的实施方式中，传感器单元直接集成到滚动轴承中。对此，具有实物量具的传感器元件可以设置在轴承环之间的间隙中。

有利的是，滚动轴承包括用于位置的数字的绝对值输出端和/或用于检测转速的模拟的正弦/余弦输出端。

当然，滚动轴承可以包括其它的传感器，处理电子装置附加地处理它们的信号。这些其它的传感器例如可以检测滚动轴承的温度、振动和/或运行时间。

由于由上述传感器元件提供的测量值也与可能出现在轴承上的振动有关，所以有利的是，在适当分析测量信号时将这些影响作为振动的量度过滤掉，使得可以放弃附加的传感器，例如加速度传感器。在此，从与相位无关的电容量变化可以推出频率变化(例如通过轴承损坏引起)。

DE 600 16 395 T2公开了用于构造传感器元件和分析方法的其它例子，这些都包含在本发明的公开范围之内。

附图说明

下面借助附图进一步说明本发明的优选的实施方式。附图如下：

图1具有电容式传感器单元的滚动轴承的立体视图；

图2根据图1的纵向剖面视图；

图3电容式传感器的转子的实物量具。

具体实施方式

图1示出了一种根据本发明的作为滚动轴承01与电容式传感器单元02的结合体的滚动轴承装置。传感器单元02在滚动轴承01的侧面上大约整面地与滚动轴承连接并且优选包括用于被支承的轴(未示出)的通孔。传感器单元和滚动轴承之间的连接例如可以通过粘接、力锁合的(kraftschlüssig)和/或形锁合的(formschlüssig)安装来进行。在该实施例中，形锁合在轴承环上在用于密封环(未示出)的切口上实现。在此传感器单元02的外直径优选略小于滚动轴承01的外直径。传感器单元02包括电输入装置03，通过该电输入装置一方面向传感器单元供电，另一方面将所检测到的信号送出用语后续处理。这些信号例如可以通过数字接口被传输到控制器。

图2示出了图1中所示的滚动轴承01与传感器单元02的结合体的纵向剖面图。已知滚动轴承01包括内环04、外环05以及设置在它们之间的滚动体06，这些滚动体在保持架07中引导。

传感器单元02包括作为可旋转地被支承的第一传感器元件的转子08，该转子与可旋转的内环04抗旋转地连接。定子09作为位置固定的第二传感器元件抗旋转地与传感器壳体10连接。定子09包括两个板11、12，它们构成电容器，电容器的电容量持续地在处理和放大电子装置13中被测量，该处理和放大电子装置优选也被设置在传感器壳体10中。将两个板的至少一个分段，即在圆周方向上分成不同的多个分段。

通过与角度相关的覆盖两个板11、12中之一上的分段来调制电容量，来产生常见的正弦/余弦信号。该信号用于确定位置并且与120°结构一起构成用于确定绝对位置的基础(图3)。

实物量具(参见图3)设置在转子08上。通过实物量具的形状来影响位置确定的精度。

此外传感器元件08、09的形状还允许检测确定的振动频率，这些确定的振动频率允许说明轴承的磨损和负荷。

在外环可旋转的情况下，配置可简单地进行适配。

图3举例示出作为第一传感器元件的转子08的可能形状的俯视图。所示的转子08在其外圆周区域中具有16个正弦形循环，以致产生转子08的类似齿轮的形状。第一实物量具由这些循环或者说循环数目构成。

在转子08的径向内部区域中可看到具有材料加强部的结构16。该结构为第二实物量具，其由三个在圆周上分布的正弦形循环构成，借助它们充分准确地确定360°结构(3×120°)。由此可确定转子08的绝对的转动角度位置。

如果在转子上设置多个实物量具，那么优选为每个实物量具在定子上进行单独分段。

处理和放大电子装置产生用于求得转速的模拟的正弦/余弦信号，并且也优选产生用于确定绝对位置的数字信号。但原则上也可以使用任意的信号形式来传输和分析信号。

这两种信号形式通过测量系统导线被传输给外部控制器。可以用完全数字的信号来代替一般用于调整位置的模拟的正弦/余弦信号。于是仅通过电动机导线就可将信号传输到控制器。也就是说，在电动机中使用的情况下可以节约测量系统导线。

在本发明另外一些实施方式中，可借助相同的传感器面状装置并行地确定轴承外环与内环之间的振动及轴承温度。出现的振动也会导致叠加的电容量变化，使得在适当过滤的情况下可以得到代表产生的振动的信号。

附图标记列表

01滚动轴承

02电容式传感器单元

03输入装置

04内环

05外环

06滚动体

07保持架

08转子

09定子

10传感器壳体

11板

12板

13电子装置

14正弦形循环，第一实物量具

15结构，第二实物量具

Claims (10)

1.滚动轴承(01)，其具有可旋转的轴承部件(04)和固定的轴承部件(05)以及与滚动轴承(01)固定连接的或直接集成到滚动轴承(01)中的传感器单元(02)，其特征在于：

所述传感器单元(02)包括：可旋转地支承的第一传感器元件(08)，该第一传感器元件与可旋转的轴承部件(04)连接；位置固定的导电的第二传感器元件(09)，该第二传感器元件通过至少两个电容器板(11、12)构成电容器；用于在电容器板之间产生静电场的构件；用于分析电容器的电容量变化的处理和放大电子装置(13)；

第一传感器元件(08)设置在构成的电容器的电介质中，并且传感器元件(08、09)中的至少一个带有第一实物量具(14)，使得在传感器元件(08、09)相对运动时产生电容器的电容量的变化。

2.根据权利要求1的滚动轴承(01)，其特征在于：所述第一实物量具通过材料凹部、不同的厚度分布，质量分布或在通过第一传感器元件(08)上的覆盖层来构成。

3.根据权利要求1或2的滚动轴承(01)，其特征在于：所述第一实物量具为120°或360°的结构。

4.根据权利要求1至3之一的滚动轴承，其特征在于：所述第二传感器元件(09)通过两个平行设置的电容器板(11、12)构成，第一传感器元件(08)设置在两个电容器板之间。

5.根据权利要求4的滚动轴承，其特征在于：这两个板(11、12)之一具有分段，静电场相位移动地馈入到该板(11、12)的各分段中，或者检测在该板的各分段中电容器变化的相位移动的曲线。

6.根据权利要求1至5之一的滚动轴承(01)，只要不引用权利要求3，其特征在于：所述第一传感器元件(08)包括第二实物量具(16)，优选该第二实物量具为360°结构。

7.根据权利要求1至6之一的滚动轴承(01)，其特征在于：至少第一实物量具(14)具有正弦形循环(13)的形状。

8.根据权利要求1至7之一的滚动轴承(01)，其特征在于：所述第一实物量具(14)通过可旋转的轴承部件(04)引导，并且可旋转的轴承部件(04)接纳要被确定转速或旋转角度的轴或部件。

9.根据权利要求1至8之一的滚动轴承(01)，其特征在于：所述滚动轴承包括数字的绝对值输出端。

10.根据权利要求1至9之一的滚动轴承(01)，其特征在于：所述滚动轴承包括其它的传感器，尤其是用于检测滚动轴承的温度、振动和/或运行时间，处理电子装置附加地处理这些其它的传感器的信号。

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