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Die vorliegende Erfindung betrifft einen vorzugsweise magnetischen Drehgeber und ein Verfahren zu dessen Montage an einer Baugruppe, die ein drehbares Bauteil aufweist. Das drehbare Bauteil ist insbesondere eine Welle. Die Baugruppe kann beispielsweise ein Motor oder ein Getriebe sein.
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Drehgeber, auch Encoder genannt, kommen überall dort zum Einsatz, wo Positionen, Drehzahlen und Winkel erfasst werden sollen.
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Die
DE 10 2004 036 903 A1 beschreibt eine Encoderbaugruppe bestehend aus einer Grundplatte zur Befestigung des Encoders auf der Flanschseite eines Elektromotors, einer mit Code-Markierungen versehenen Taktscheibe, die radial und axial auf einer aus dem Elektromotor flanschseitig herausragenden Motorwelle mittels Presssitz fixiert ist, sowie mindestens einem Sensor, der im Bereich der Code-Markierungen der Taktscheibe in allen drei Koordinatenrichtungen positioniert und fixiert ist. Die Encoderbaugruppe umfasst weiterhin eine Leiterplatte mit Anschlüssen für eingehende und ausgehende Leitungen sowie ggf. zum Befestigen von Anschlussbuchsen für Signalleitungen und Energieversorgung der Sensoren sowie einem Encodergehäuse, das an dem Elektromotor befestigt ist. Zur Erzeugung des Presssitzes bildet die Leiterplatte zusammen mit einer entsprechend ausgebildeten Führung im Encodergehäuse ein Widerlager. Mittels einer beweglichen Seitenwand des Encodergehäuses wird der Sensor auf der Leiterplatte von der Seite her in den Bereich der Code-Markierungen der Taktscheibe gebracht. Die vorbekannte Encoderbaugruppe besteht aus zahlreichen Einzelteilen, was eine aufwendige Fertigung und Montage bedingt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Drehgeber zur Verfügung zu stellen, welcher aufwandsarm zu montieren ist und sich durch einen verhältnismäßig einfachen Aufbau auszeichnet. Weiterhin soll auch ein Verfahren zur Montage eines solchen Drehgebers an einer, ein drehbares Bauteil aufweisenden Baugruppe angegeben werden.
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Zur Lösung der Aufgabe dient ein Drehgeber für ein drehbares Bauteil gemäß Anspruch 1.
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Der Drehgeber umfasst zunächst ein Gehäuse mit einem Gehäusedeckel und Seitenwänden. Die dem Gehäusedeckel gegenüberliegende Gehäuseseite weist eine Öffnung auf. Parallel zum Gehäusedeckel erstreckt sich eine Leiterplatte, welche durch eine Ausnehmung in einer der Seitenwände durchgeführt ist und im Gehäuse verschiebbar angeordnet ist. Die Leiterplatte kann in einer aus dem Gehäuse teilweise ausgefahrenen Position und in einer in das Gehäuse vollständig eingefahren Position festgelegt werden. Durch die Öffnung des Gehäuses ist eine sich senkrecht zum Gehäusedeckel erstreckende und innerhalb des Gehäuses angeordnete Nabe durchgeführt, welche am drehbaren Bauteil befestigbar ist und mit dem drehbaren Bauteil rotierbar ist. An der dem Gehäusedeckel zugewandten Seite der Nabe ist ein kreisförmiger, bevorzugt diametral magnetisierter Permanentmagnet befestigt, welcher mit der Nabe und dem drehbarem Bauteil rotierbar ist. Auf der Leiterplatte befindet sich ein Sensor, welcher die Rotation der Nabe abtastet. Der Sensor ist in der eingefahrenen Position der Leiterplatte dem Permanentmagneten gegenüberliegend angeordnet. Die Leiterplatte trägt des Weiteren einen Abstandshalter, welcher in der ausgefahrenen Position der Leiterplatte dem Permanentmagneten gegenüberliegend angeordnet ist. Der Abstandshalter ist derart ausgebildet, dass bei ausgefahrener Position der Leiterplatte anziehende Magnetkräfte zwischen Abstandshalter und Permanentmagnet wirken, wodurch Permanentmagnet und Nabe am Abstandshalter fixiert werden.
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Der Sensor ist bevorzugt ein Magnetfeldsensor zur Ermittlung von Kenndaten des vom Permanentmagneten während seiner Rotation erzeugten veränderlichen Magnetfeldes. Alternativ kann aber auch ein optischer, induktiver oder kapazitiver Sensor verwendet werden, wobei der jeweilige Modulator, wie z. B. eine Codescheibe an der dem Sensor zugewandten Stirnseite der Nabe bzw. des dort befindlichen Magneten angebracht ist.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch das Zusammenwirken eines Abstandshalters mit einem an der Nabe befestigten Permanentmagneten eine sichere Fixierung der Nabe mittels des Permanentmagneten im Gehäuse erfolgt. Auf diese Weise kann ein Herausfallen der Nabe während des Transports des magnetischen Gebers verhindert werden. Die Nabe kann vorab bereits zentriert werden, wodurch ein zentriertes Aufsetzen der Nabe auf dem drehbaren Bauteil während der Montage erleichtert wird. Hierdurch vereinfacht sich der Montageaufwand im Vergleich zu vorbekannten Lösungen erheblich, was eine schnellere Montage ermöglicht und nicht zuletzt auch zur Einsparung von Kosten führt.
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Besonders vorteilhaft ist die genannte Konstruktion beim Einsatz eines Magnetsensors im Drehgeber, da in diesem Fall der Permanentmagnet sowieso für die Messwerterzeugung bereit steht. Um den magnetischen Drehgeber betriebsbereit zu machen, wird die Leiterplatte während der Montage in das Gehäuse eingeschoben. So bald die Leiterplatte vollständig in das Gehäuse eingefahren ist, nimmt der Magnetfeldsensor seine dem Permanentmagneten gegenüberliegende Position ein.
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Der erfindungsgemäße (magnetische) Drehgeber zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus und kann daher preiswert und aufwandsarm produziert werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Abstandshalter aus Eisen. Der Abstandshalter kann auch aus anderen, ferromagnetischen Materialen bestehen, wobei zu gewährleisten ist, dass die zwischen Abstandshalter und Permanentmagnet wirkenden Magnetkräfte eine sichere Fixierung von Permanentmagnet und Nabe am Abstandshalter ermöglichen. Der Abstandshalter kann auch selbst ein entsprechend magnetisierter Permanentmagnet sein. Sofern in diesem Fall ein nicht magnetisch arbeitender Sensor benutzt wird, beispielsweise ein optischer Sensor, kann der Permanentmagnet an der Nabe auch durch einen ferromagnetischen Materialabschnitt ersetzt sein.
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Das Gehäuse weist vorzugsweise Führungsnuten zum Verschieben der Leiterplatte auf, welche beispielsweise im Gehäusedeckel angeordnet sein können. In den Führungsnuten können Rastnasen integriert sein, um die Leiterplatte in den beiden Positionen fixieren zu können.
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Als vorteilhaft hat sich die Ausstattung des magnetischen Drehgebers mit Anschlüssen für eingehende und ausgehende Leitungen zum Anschließen einer Auswerteeinheit und/oder einer Energieversorgungseinheit erwiesen. Die Anschlüsse sind vorzugsweise auf der Leiterplatte angeordnet. Mittels Auswerteeinheit werden die vom Magnetfeldsensor erfassten Daten entsprechend aufbereitet. Die Energieversorgungseinheit dient zur Energieversorgung des Magnetfeldsensors.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Gehäuse sich senkrecht zum Gehäusedeckel erstreckende Ausnehmungen zum Durchführen von mechanischen Befestigungselementen, wie beispielsweise Schrauben, auf. Mittels der Befestigungselemente erfolgt die Fixierung an einer, ein drehbares Bauteil aufweisenden Baugruppe.
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Das Gehäuse ist vorzugsweise einteilig ausgeführt. Nach einer vorteilhaften Ausführung ist das Gehäuse als Kunststoffgehäuse ausgebildet.
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Zur Lösung der Aufgabe dient auch ein Verfahren zur Montage eines bevorzugt magnetischen Drehgebers an einer, ein drehbares Bauteil aufweisenden Baugruppe gemäß Anspruch 8.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte. Zunächst erfolgt die Bereitstellung eines bevorzugt magnetischen Drehgebers. Der Drehgeber befindet sich zu diesem Zeitpunkt in seinem Transport- oder Lieferzustand, in welchem die Leiterplatte des Drehgebers in ihrer aus dem Gehäuse ausgefahrenen Position festgelegt ist. Permanentmagnet und Nabe sind dabei am Abstandshalter fixiert und befinden sich somit in einer verliersicheren Position innerhalb des Gehäuses. Im nächsten Schritt wird das Gehäuse auf der Baugruppe angeordnet, wobei ein Ausrichten oder anfängliches Aufsetzen der Nabe auf dem drehbaren Bauteil erfolgt. Auf das Gehäuse wird nachfolgend zu dessen Verlagerung eine in Richtung drehbares Bauteil wirkende Druckkraft so lange ausgeübt, bis das Gehäuse auf der Baugruppe aufliegt. Die Nabe ist nun richtig positioniert und umgreift das drehbare Bauteil. Zwischen Nabe und drehbarem Bauteil wird dabei eine Presspassung ausgebildet, sodass die Nabe künftig ohne Schlupf mit dem Bauteil rotiert. Die Leiterplatte wird nachfolgend in das Gehäuse bis zum Erreichen der vollständig eingefahrenen Position eingeschoben, wobei vorzugsweise eine automatische Fixierung der Leiterplatte in der vollständig eingefahrenen Position erfolgt. Der Sensor/Magnetfeldsensor ist nun gegenüber dem Permanentmagneten bzw. der Nabe positioniert, wodurch der Drehgeber betriebsbereit ist. Das Gehäuse kann bedarfsweise vor dem Einschieben der Leiterplatte von der Baugruppe nochmals entfernt werden, da Nabe und Permanentmagnet bereits richtig positioniert sind. Abschließend oder auch vor dem Verschieben der Leiterplatte in die eingefahrene Position wird das Gehäuse mittels mechanischer Befestigungsmittel an der Baugruppe befestigt. Zur mechanischen Befestigung werden vorzugsweise Schrauben verwendet, welche gemäß einer bevorzugten Ausführung mit einem maximalen Anzugsmoment von 0,3 Nm angezogen werden. Ebenso bevorzugt kann ein Bajonettverschluss für die Anbringung des Gehäuses an der Baugruppe dienen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine schnelle und präzise Positionierung eines bevorzugt magnetischen Drehgebers an einer Baugruppe.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: einen auf einer Baugruppe angeordneten erfindungsgemäßen magnetischen Drehgeber im Transportzustand;
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2: den auf der Baugruppe montierten erfindungsgemäßen magnetischen Drehgeber im betriebsfähigen Zustand.
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1 zeigt einen auf einer Baugruppe angeordneten erfindungsgemäßen magnetischen Drehgeber 01, der zwar bereits auf eine Baugruppe 06 aufgesetzt wurde, im Übrigen aber noch im Transportzustand ist. Der erfindungsgemäße magnetische Drehgeber 01 umfasst ein Gehäuse 02 mit einem Gehäusedeckel 03 und Seitenwänden 04. Das Gehäuse 02 ist vorzugsweise als einteiliges, topfförmiges Kunststoffgehäuse ausgeführt.
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Innerhalb des Gehäuses 02 befindet sich eine Nabe 05, welche sich senkrecht zum Gehäusedeckel 03 erstreckt. Die Nabe 05 ist im Rahmen einer Montage auf einem drehbaren Bauteil 07, vorzugsweise einer Welle, derart angeordnet worden, dass sie gemeinsam mit dem drehbaren Bauteil 07 rotiert. Die Nabe 05 kann auf dem Bauteil 07 durch Presspassung aufgesetzt sein, durch einen Klebstoff gesichert sein oder in anderer geeigneter Weise verdrehsicher befestigt sein. Das drehbare Bauteil 07 ist Bestandteil der Baugruppe 06, beispielsweise eines Motors oder eines Getriebes, die jedoch nicht Bestandteil des Drehgebers ist.
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An dem dem Gehäusedeckel 03 zugewandten Ende der Nabe 05 ist ein kreisförmiger Permanentmagnet 08 solcherart festgelegt, dass dieser ebenfalls die Drehbewegung von Nabe 05 und Bauteil 07 mit vollführt. Der Permanentmagnet 08 ist diametral magnetisiert, d. h. die Ausrichtung von Nord- und Südpol des Permanentmagneten 08 ist quer zur Rotationsachse.
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Parallel zum Gehäusedeckel 03 erstreckt sich eine Leiterplatte 09. Die Leiterplatte 09 ist durch eine Ausnehmung 10 in einer der Seitenwände 04 durchgeführt und in Führungsnuten des Gehäuses 02, welche beispielsweise auf der Innenseite des Gehäusedeckels 03 angeordnet sind, längs verschiebbar angeordnet. Sie kann zwischen einer aus dem Gehäuse 02 teilweise ausgefahrenen Transportposition und einer in das Gehäuse 02 vollständig eingefahrenen Arbeitsposition verschoben werden, wobei sie in beiden Positionen sicher fixiert werden kann, beispielsweise mittels einer Rastverbindung.
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In 1 ist die Leiterplatte 09 in ihrer teilweise aus dem Gehäuse 02 ausgefahrenen Transportposition dargestellt. Wenn die Leiterplatte 09 die in 1 gezeigte Position einnimmt, befindet sich der magnetische Drehgeber 01 im Transportzustand, in welchem der Drehgeber 01 noch nicht betriebsbereit ist.
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Auf der Leiterplatte 09 ist weiterhin ein Magnetfeldsensor 12 derart angeordnet, dass er bei vollständig eingefahrener Leiterplatte 09 (siehe 2) gegenüberliegend und axial ausgerichtet zum Permanentmagnet 08 positioniert ist. Der Magnetfeldsensor 12 dient in dieser Arbeitsposition zur Ermittlung von Kenndaten des vom Permanentmagneten 08 während seiner Rotation erzeugten veränderlichen Magnetfeldes. Aus den vom Magnetfeldsensor 12 erfassten Daten kann beispielsweise der Drehwinkel des drehbaren Bauteils 07 ermittelt werden.
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Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Drehgebers 01 ist ein Abstandshalter 13, welcher in der in 1 dargestellten ausgefahrenen Transportposition der Leiterplatte 09 dem Permanentmagneten 08 gegenüberliegend angeordnet ist. Der Abstandshalter 13 ist derart ausgeführt, dass zwischen Abstandshalter 13 und Permanentmagnet 08 anziehende Magnetkräfte wirken, welche dafür sorgen, dass Permanentmagnet 08 und Nabe 05 am Abstandshalter 13 sicher fixiert werden. So kann der Abstandshalter 13 beispielsweise aus Eisen bestehen, wobei keine Einschränkung auf einen Abstandshalter 13 aus Eisen erfolgen soll, andere geeignete Materialen sind natürlich ebenso möglich. Durch die wirkenden Magnetkräfte liegt der Permanentmagnet 08 flächig am Abstandshalter 13 an, sodass eine auf das Gehäuse 02 aufgebrachte Druckkraft von oben über die Leiterplatte vermittelt auf die Nabe 05 einwirken kann, wenn der Drehgeber erstmals auf das drehbare Bauteil 07 aufgesetzt wird.
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Der Abstandshalter 13 überragt die der Leiterplatte 09 abgewandte Fläche des Magnetsensors 12 geringfügig, beispielsweise um ca. 1 mm. Wenn der Drehgeber auf die Baugruppe aufgesetzt wird, gelangt die Nabe 05 in ihrer endgültige axiale Lage relativ zum drehbaren Bauteil 07, während die Leiterplatte noch in der teilweise ausgefahrenen Position ist und der Abstandshalter am Permanentmagnet anliegt. Wird die Leiterplatte dann in die eingefahrene Position verschoben, ändert sich die axiale Lage der Nabe 05 nicht mehr, der Abstandshalter 13 wird radial vom Permanentmagnet 08 weggeschoben und der Magnetsensor 12 fährt stattdessen über den Permanentmagnet 08. Aufgrund der geringeren Höhe des Magnetfeldsensors 12 im Vergleich zum Abstandshalter 13 verbleibt zwischen dem Sensor 12 und dem Permanentmagnet 08 ein Spalt, sodass letzterer rotieren kann, ohne in Reibungskontakt mit dem Sensor zu kommen.
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Durch Verwendung des Abstandshalters 13 besteht nicht mehr die Gefahr, dass die Nabe 05 während des Transports aus dem Gehäuse 02 herausfallen kann. Die Nabe 05 kann bei Auslieferung des Drehgebers 01 bereits zentriert positioniert werden, so dass ein zentriertes Aufsetzen der Nabe 05 auf dem drehbaren Bauteil 07 wesentlich erleichtert wird, was insbesondere zur Verkürzung der Montagezeit führt.
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Zum Überführen des Drehgebers 01 in seinen betriebsfähigen Zustand, welcher in 2 dargestellt ist, wird die Leiterplatte 09 vom Nutzer vollständig in das Gehäuse 02 eingeschoben. Hierdurch entfernt sich der Abstandshalter 13 vom Permanentmagneten 08 und der Magnetfeldsensor 12 gelangt in seine Messposition, in welcher er dem Permanentmagneten 08 gegenüberliegend angeordnet ist.
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Nachdem der Drehgeber 01 auf die Baugruppe 06 aufgesetzt ist, kann das Gehäuse 02 mittels geeigneter mechanischer Befestigungsmittel an der Baugruppe 06 festgelegt werden. Hierzu sind in das Gehäuse 02 entsprechende Ausnehmungen zum Durchführen der Verbindungsmittel eingebracht. Bevorzugt erfolgt dies noch bevor die Leiterplatte 09 in ihrer Messposition verschoben wurde. Anschließend kann die Leiterplatte 09 in die Messposition verschoben werden, wodurch der Drehgeber in den Betriebszustand versetzt wird. Eine neuerliche Ausrichtung der Nabe 05 bzw. des Permanentmagneten 08 gegenüber dem Magnetsensor 12 erübrigt sich.
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Die Leiterplatte 09 weist vorzugsweise Anschlüsse für eingehende und ausgehende Leitungen auf, welche zum Anschließen einer Auswerteeinheit bzw. einer Energieversorgungseinheit dienen. Mittels Auswerteeinheit werden die vom Magnetfeldsensor 12 erfassten Signale ausgewertet. Die Energieversorgungseinheit dient zur Energieversorgung des Magnetfeldsensors 12.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- magnetischer Drehgeber
- 02
- Gehäuse
- 03
- Gehäusedeckel
- 04
- Seitenwände
- 05
- Nabe
- 06
- Baugruppe
- 07
- drehbares Bauteil
- 08
- Permanentmagnet
- 09
- Leiterplatte
- 10
- Ausnehmung
- 11
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- 12
- Magnetfeldsensor
- 13
- Abstandshalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004036903 A1 [0003]
