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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager, welches insbesondere als ein Hochdrehzahllager ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Lageranordnung mit dem erfindungsgemäßen Wälzlager.
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Die
DE 11 2013 006 421 T5 beschreibt ein Lager mit einer Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition. Die Sensoreinheit umfasst einen Codierer und einen Sensorkörper.
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Aus der
EP 2 116 813 A1 ist ein Wälzlager mit einer Rotationsdetektionseinheit bekannt. Die Rotationsdetektionseinheit umfasst eine Vielzahl von magnetischen Encodern, welche ringförmig angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Rotationsdetektionseinheit eine Vielzahl magnetischer Sensoren zur Detektion magnetischer Felder und zur Bestimmung von Positionsinformationen der magnetischen Encoder. Die Rotationsdetektionseinheit umfasst zudem einen Phasendifferenzdetektor und einen Winkelrechner.
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Die
JP 2000266067 A zeigt ein Wälzlager mit einem inneren und einem äußeren Lagerring, wobei ein leitendes Element an einem der Lagerringe angeordnet ist und an dem anderen Lagerring kontaktierend anliegt. Zur Kontaktierung weist das leitende Element an seinem einen Ende einen leitenden, feinen drahtartigen Kontaktteil auf.
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Aus der
EP 1 755 207 B1 ist eine Strombürstenanordnung für eine Welle bekannt, die zur Wellenstromsteuerung, also zur Ableitung statischer oder anderer Ladungen, dient. Die Strombürstenanordnung umfasst einen elektrisch leitfähigen, kreisförmigen Kanal und eine Vielzahl von faserartigen Leitern, die aus Carbonfasern, rostfreiem Stahl oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material bestehen.
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In der
DE 10 2004 016 738 B3 wird eine Kompensationsschaltung zur Kompensation von schädlichen Lagerströmen gezeigt. Die Kompensationsschaltung umfasst einen Kondensator, mit dem eine Kompensations- bzw. Gegenspannung erzeugbar ist. Die Gegenspannung wird an den Rotor bzw. an die Welle angelegt.
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In der
WO 2017/148586 A1 wird ein Wellenerdungsring beschrieben, welcher der Ableitung induzierter Spannungen bzw. elektrischer Ladungen in einem Wälzlager dient. Der Wellenerdungsring weist ein ringförmiges aus elektrisch leitendem Material bestehendes Gehäuse auf. Das Gehäuse liegt an einem ersten Maschinenelement leitend an und steht mit wenigstens einem Ableitelement in elektrischer Verbindung. Durch den Wellenerdungsring soll ein definierter Stromdurchgang ermöglicht werden, um Lagerstromschäden vorzubeugen.
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Bei Elektromaschinen bzw. -motoren, insbesondere in der Elektromobilität, kommen bevorzugt Hochdrehzahllager zum Einsatz. An solche Hochdrehzahllager werden hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt. Eine hohe Geräuschminimierung ist erforderlich, da sie in den Elektromaschinen einer hohen Drehzahl ausgesetzt sind. Die Drehzahl von Elektromotoren ist im Allgemeinen deutlich höher als die Drehzahl von Verbrennungsmotoren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Wälzlager zur rotativen Lagerung von Maschinenelementen, zur Winkelpositionserfassung und zur Stromableitung von parasitären Lagerströmen bereit zu stellen, welches einen geringen Bauraum benötigt, einfach montierbar und insbesondere als Hochdrehzahllager verwendbar ist. Zudem ist eine entsprechende Lageranordnung bereit zu stellen.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Wälzlager gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Lageranordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
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Das erfindungsgemäße Wälzlager dient zur rotativen Lagerung eines Maschinenelementes gegenüber einem anderen Maschinenelement. Das Wälzlager umfasst einen ersten Lagerring und einen zu diesem um eine gemeinsame Achse rotierbaren zweiten Lagerring. Die beiden Lagerringe sind koaxial zueinander angeordnet. Radial zwischen den beiden Lagerringen sind Wälzkörper angeordnet. Erfindungsgemäß umfasst das Wälzlager eine Sensoreinheit zur Winkelpositionserfassung sowie ein elektrisches Ableitelement. Die Sensoreinheit umfasst einen auf einer axialen Seitenfläche des ersten Lagerrings angeordneten Drehgeber und mindestens einen dem Drehgeber gegenüberliegenden Sensor. Der Drehgeber stellt bevorzugt eine Maßverkörperung für den Drehwinkel dar. Der Sensor ist an dem zweiten Lagerring drehfest angeordnet. Der Drehgeber ist drehfest an dem ersten Lagerring angeordnet. Das elektrische Ableitelement ist zwischen den beiden Lagerringen angeordnet und dient der Ableitung eines parasitären elektrischen Lagerstromes. Der Lagerstrom entsteht aufgrund eines unerwünschten Potenzialunterschiedes zwischen den beiden Lagerringen. Dieser Potenzialunterschied ist insbesondere durch eine Wellenspannung gebildet, insbesondere durch eine infolge der Rotation einer im Wälzlager gelagerten Welle auftretenden Ladung der Welle. Vorzugsweise fließen die Lagerströme über den jeweiligen Lagerring nach Masse ab. Das elektrische Ableitelement ist bevorzugt zu einer Kompensation und/oder Neutralisation des parasitären elektrischen Lagerstromes bzw. des Potenzialunterschiedes zwischen den beiden Lagerringen ausgebildet.
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Vorzugsweise bildet das elektrische Ableitelement einen elektrisch leitfähigen Strompfad für Gleich- und/oder Wechselstrom zwischen den beiden Lagerringen aus.
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Über den elektrisch leitfähigen Strompfad werden die während des Betriebs des Wälzlagers erzeugten schädigende Ströme im Wälzlager abgeleitet bzw. kompensiert, sodass Schäden am Wälzlager vermieden werden.
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In einer Ausführungsform ist das Ableitelement vorzugsweise so ausgebildet, dass mittels kapazitiver Gegenkopplung der parasitäre Lagerstrom zwischen den beiden Lagerringen ableitbar bzw. kompensierbar ist. Die kapazitive Gegenkopplung ist kontaktlos zwischen den beiden Lagerringen ausgebildet, wobei das Ableitelement mindestens einen Kondensator umfasst.
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Der mindestens eine Kondensator des Ableitelementes ist bevorzugt ein Plattenkondensator. Vorzugsweise besteht der Kondensator aus zwei beabstandeten Scheiben. Besonders bevorzugt besteht der Kondensator aus zwei beabstandeten Kondensatorringen, wobei ein erster Kondensatorring an dem ersten Lagerring und ein zweiter Kondensatorring an dem zweiten Lagerring angeordnet ist.
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Das Ableitelement umfasst bevorzugt zwei der Kondensatoren, wobei ein erster der Kondensatoren als ein elektrisches Koppelelement und ein zweiter der Kondensatoren als ein elektrisches Abgreifelement ausgebildet ist. Die kapazitive Gegenkopplung umfasst bevorzugt eine Kompensationsschaltung zur Erzeugung einer Kompensationsspannung, die über das Koppelelement direkt oder indirekt auf einen der beiden Lagerringe eingekoppelt wird, während über das Abgreifelement direkt oder indirekt eine Detektion einer den Lagerstrom verursachenden Spannung bzw. Potenzialunterschiedes stattfindet.
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Alternativ bevorzugt ist das Ableitelement ein elektrisch leitfähiges Element zur galvanischen Verbindung der beiden Lagerringe. Besonders bevorzugt ist das elektrisch leitfähige Element als ein Schleifkontaktelement ausgebildet. Das Schleifkontaktelement ist vorzugsweise an einem der beiden Lagerringe angeordnet und kommt an dem anderen der beiden Lagerringe zum Anliegen. Das elektrische Ableitelement ist besonders bevorzugt als ein scheibenförmiges Schleifkontaktelement ausgebildet. Die Scheibenform ist bevorzugt koaxial zu den Lagerringen angeordnet.
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Bevorzugt ist die Form des Ableitelements an das jeweilige Wälzlager anpassbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das elektrisch leitfähige Element an seinem inneren oder äußeren Umfang elektrisch leitfähige Fasern, beispielsweise Carbonfasern, auf. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform besteht das elektrisch leitfähige Element aus Carbonfasern, die miteinander verwebt sind. Alternativ bevorzugt besteht das elektrisch leitfähige Element aus einem elektrisch leitfähigen Vlies. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Element umfänglich mit Schlitzen versehen, um den Reibkontakt zu minimieren. Es ist erforderlich, den Reibkontakt zu minimieren, um die Reibung und den damit einhergehenden Verschleiß des elektrisch leitfähigen Elements zu verringern, insbesondere bei hohen Drehzahlen, welchen das Wälzlager ausgesetzt ist. Alternativ bevorzugt ist das elektrisch leitfähige Element aus mehreren Kontaktelementen, die auf einer Scheibe angeordnet sind, gebildet. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform besteht das elektrisch leitfähige Element aus einem verschleißfesten elastischen Kunststoffmaterial oder Elastomermaterial, in welches zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit elektrisch leitfähige Füllstoffe, beispielsweise Leitruß, Graphit, Carbon-Nanotubes oder Carbon-Nanofasern, eingebracht sind.
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Im Bereich des Ableitelements sind vorzugsweise weitere Bauteile integrierbar.
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Das Ableitelement kann vorzugsweise mittelbar an einem Lagerring angeordnet sein, wobei bevorzugt ein Kontaktelement kontaktierend zwischen Ableitelement und Lagerring angeordnet ist. Das Kontaktelement weist bevorzugt zumindest teilweise ein elektrisch leitfähiges Material auf. Beispielsweise kann das Kontaktelement aus einem Metall bestehen und ringförmig ausgebildet sein. Das Kontaktelement kann eine Blechhülse sein, die beispielweise eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist.
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Das Wälzlager ist bevorzugt als ein Hochdrehzahllager ausgebildet, welches in Elektromaschinen mit hohen Drehzahlen einsetzbar ist.
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Der Drehgeber umfasst vorzugsweise mindestens einen Nord-Pol und einen Süd-Pol zur Erzeugung magnetischer Felder. Der Drehgeber ist bevorzugt als eine Encoderscheibe ausgebildet. Je nach Anwendung weist der Drehgeber unterschiedliche Polarisierungen und Magnetisierungen auf.
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Bevorzugt ist der mindestens eine Sensor ein Magnetfeldsensor. Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor der Sensoreinheit ein Hall-Sensor. Der Drehgeber und der mindestens eine Sensor sind bevorzugt axial beabstandet, sodass der Sensor das Magnetfeld des Drehgebers erfasst.
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Alternativ bevorzugt wird zur Winkelpositionserfassung ein optisches System, z.B. ein System mit einem Laser, verwendet.
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Alternativ bevorzugt wird zur Winkelpositionserfassung ein Sensor auf Wirbelstrombasis verwendet.
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Der mindestens eine Sensor ist vorzugsweise unmittelbar an dem zweiten Lagerring angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Sensor an einer axialen Erstreckung des zweiten Lagerrings angeordnet. Bevorzugt ist der mindestens eine Sensor an dem zweiten Lagerring mittelbar angeordnet, wobei beispielsweise ein Blechträger an dem zweiten Lagerring drehfest befestigt ist und der mindestens eine Sensor an dem Blechträger angeordnet ist.
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Der Blechträger ist vorzugsweise abgewinkelt ausgebildet, um das Verdrehen des Sensors gegenüber dem zweiten Lagerring, an dem der Sensor angeordnet ist, zu verhindern.
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Der Drehgeber ist bevorzugt drehfest an dem ersten Lagerring befestigt.
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Der zweite Lagerring ist bevorzugt als ein Außenring ausgebildet und der erste Lagerring ist bevorzugt als ein Innenring ausgebildet. Alternativ bevorzugt ist der erste Lagerring als ein Innenring und der zweite Lagerring als ein Außenring ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Wälzlager an dem zweiten Lagerring ein Sicherungselement zur Verdrehsicherung des Sensors auf.
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Das Sicherungselement zur Sicherung gegen das Verdrehen des zweiten Lagerrings ist vorzugsweise ein Spannstift, welcher an dem zweiten Lagerring angeordnet ist und die Position des zweiten Lagerrings sichert. Alternativ bevorzugt ist das Sicherungselement ein abgewinkeltes Element, welches axial am zweiten Lagerring angeordnet ist und das Verdrehen des Sensors gegenüber dem zweiten Lagerring in die axiale Richtung verhindert. Besonders bevorzugt ist der zuvor beschriebene Blechträger das als das abgewinkelte Element ausgebildete Sicherungselement.
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Vorzugsweise sind das Ableitelement und die Sensoreinheit auf unterschiedlichen axialen Seitenflächen des Wälzlagers angeordnet. Alternativ bevorzugt sind das Ableitelement und die Sensoreinheit auf derselben axialen Seitenfläche des Wälzlagers angeordnet.
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In einer Ausführungsform des Wälzlagers weist dieses ein Funktionselement auf, welches an einer axialen Seitenfläche des Wälzlagers angeordnet ist. Das Funktionselement ist so ausgebildet ist, dass es sowohl die Eigenschaften und Funktionen des Ableitelements als auch der Sensoreinheit aufweist. Bevorzugt umfasst das Funktionselement den Drehgeber zur Winkelpositionsbestimmung, der gleichzeitig elektrisch leitfähig ausgebildet ist, um parasitäre Ströme abzuleiten. Somit bildet der Drehgeber das Ableitelement. Alternativ bevorzugt kann das Funktionselement den Sensor sowie das Ableitelement ersetzen.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Wälzlagers ist, dass mit dem Wälzlager sowohl die Winkelposition zwischen den beiden Lagerringen erfassbar ist als auch Stromdurchgänge durch die Lagerbauteile, insbesondere durch die Lagerringe verhindert werden. Mittels des Wälzlagers ist eine gezielte Stromableitung möglich. Das Wälzlager weist eine erhöhte Genauigkeit der Sensorkomponenten auf, da diese gegen Verdrehung gesichert sind und parasitäre Ströme abgeleitet werden. Ein weiterer Vorteil besteht in einer durch die Integration kleineren Toleranzkette zwischen dem Sensor und dem Drehgeber, was sich positiv auf die Sensorgenauigkeit auswirkt. Ein weiterer Vorteil des Wälzlagers ist, dass dieses einfach zu montieren ist. Der geringe Bauraumbedarf hat sich als vorteilhaft erwiesen, wobei vorhandener Bauraum im Wälzlager angepasst und/oder genutzt werden kann, um die Sensoreinheit und das elektrisch leitfähige Element im Wälzlager zu integrieren. Ein weiterer technischer Vorteil besteht darin, dass eine Justierung des Drehgebers und/oder des Sensors nicht erforderlich ist.
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Durch das erfindungsgemäße Wälzlager werden ein herkömmliches Wälzlager sowie eine Rotorlagesensorik zur Elektromaschinensteuerung, beispielsweise ein Resolver sowie ein externes Stromableitsystem ersetzt.
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Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst das zuvor beschriebene Wälzlager, welches bevorzugt gemäß einer oder mehrerer der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt ist. Weiterhin umfasst die Lageranordnung ein Gehäuse und eine Welle, wobei einer der Lagerringe an dem Gehäuse angeordnet ist und der andere der Lagerringe drehfest an der Welle angeordnet ist.
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Die Lageranordnung weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Datenverarbeitungseinheit auf. Die Datenverarbeitungseinheit kann als ein ASIC bzw. ein Chip mit einer integrierten Schaltung ausgebildet sein. Am Ausgang der Datenverarbeitungseinheit stehen verarbeitete Messsignale zur Verfügung. Die Datenverarbeitungseinheit ist vorzugsweise über eine elektrische Leitung mit dem Magnetfeldsensor verbunden. Alternativ bevorzugt ist die Datenverarbeitungseinheit in die Sensoreinheit integriert.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine Teilansicht eines Querschnittes einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagers;
- 2 eine Teilansicht eines Querschnittes einer zweiten Ausführungsform des Wälzlagers;
- 3 eine Teilansicht eines Querschnittes einer dritten Ausführungsform des Wälzlagers; und
- 4 eine Teilansicht eines Querschnittes einer vierten Ausführungsform des Wälzlagers.
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1 zeigt eine Teilansicht eines Querschnittes einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 01, welches insbesondere als Hochdrehzahllager verwendet wird. Das Wälzlager 01 umfasst einen äußeren Lagerring 02 und einen zu diesem rotierbaren inneren Lagerring 03. Die beiden Lagerringe 02, 03 sind koaxial zueinander angeordnet und um eine gemeinsame Achse (nicht gezeigt) rotierbar. Zwischen den beiden Lagerringen 02, 03 sind Wälzkörper 04 angeordnet, auf denen die Lagerringe 02, 03 abrollen können. Weiterhin umfasst das Wälzlager 01 zur Winkelpositionserfassung eine Sensoreinheit 06, die aus mindestens einem Winkelsensor 07 und einer dem Winkelsensor 07 gegenüberliegenden Encoderscheibe 08 besteht. Die erfassten Daten werden über eine elektrische Leitung 09 an eine Datenverarbeitungseinheit (nicht gezeigt) weitergeleitet. Der äußere Lagerring 02 weist umlaufend an seinen beiden axialen Seitenflächen eine erste axiale Erstreckung 11 und eine zweite axiale Erstreckung 12 auf. Der Winkelsensor 07 ist an der ersten axialen Erstreckung 11 des äußeren Lagerrings 02 drehfest befestigt. Die Encoderscheibe 08 ist abgewinkelt ausgebildet und an dem inneren Lagerring 03 drehfest befestigt, sodass eine Maßverkörperungsseite der Encoderscheibe 08 und der Winkelsensor 07 axial zueinander beabstandet sowie parallel angeordnet sind. Des Weiteren umfasst das Wälzlager 01 ein Schleifkontaktelement 13, welches dem Ableiten von parasitären Strömen im Wälzlager 01 dient. Das Schleifkontaktelement 13 ist scheibenförmig ausgebildet, drehfest an der zweiten axialen Erstreckung 12 des äußeren Lagerrings 02 befestigt und besteht zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material. Weiterhin liegt das Schleifkontaktelement 13 mittelbar an dem inneren Lagerring 03 an, wofür das Schleifkontaktelement 13 an einer Blechhülse 14, welche am inneren Lagerring 03 angeordnet ist, anliegt. Die Blechhülse 14 weist bevorzugt eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf. Das Schleifkontaktelement 13 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielweise Carbon-Nanotubes, und bildet einen elektrisch leitfähigen Pfad aus. Der Winkelsensor 07 ist mit dem äußeren Lagerring 02 durch einen Spannstift 16, welcher an dem äußeren Umfang des äußeren Lagerrings 02 angeordnet ist, gegen Verdrehen gesichert. Weiterhin weist das Wälzlager 01 zwei Dichtungsringe 17 auf, welche einen Lagerinnenraum 18 vor Umwelteinflüssen, wie Wasser oder Schmutz, schützen. Mittels des Wälzlagers 01 ist die Winkelposition erfassbar und ein parasitärer Strom ableitbar.
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2 zeigt eine Teilansicht eines Querschnittes einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Wälzlagers 01. Die in 2 gezeigte Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Abweichend zu 1 weist der äußere Lagerring 02 der 2 nur eine axiale Erstreckung, nämlich die zweite axiale Erstreckung 12 auf, an welcher das scheibenförmige Schleifkontaktelement 13 drehfest angeordnet ist. An der Stelle der ersten axialen Erstreckung 11 gemäß 1 weist das in 2 gezeigte Wälzlager 01 einen ersten Blechträger 19 auf. Der erste Blechträger 19 ist ringförmig ausgebildet und liegt am äußeren Lagerring 02 an, wobei der erste Blechträger 19 im Kontaktbereich abgewinkelt ausgebildet ist, um das Verdrehen des Winkelsensors 07 gegenüber dem äußeren Lagerring 02 zu verhindern. Daher weist das in 2 gezeigte Wälzlager 02 keinen Spannstift 16 auf, da dessen Funktion nicht benötigt wird. An dem ersten Blechträger 19 ist der Winkelsensor 07 drehfest angeordnet.
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3 zeigt eine Teilansicht eines Querschnittes einer dritten bevorzugten Ausführungsform des Wälzlagers 01. Die in 3 gezeigte Ausführungsform gleicht zunächst den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen. Abweichend zu den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen weist die in 3 gezeigte Ausführungsform keine axiale Erstreckungen am äußeren Lagerring 02 auf. Die in 3 gezeigte Ausführungsform weist am inneren Lagerring 03 eine axiale Erstreckung 21 in Richtung der Sensoreinheit 06 auf. An der axialen Erstreckung 21 des inneren Lagerrings 03 ist die Encoderscheibe 08 angeordnet. Auf einer axialen Seitenfläche des äußeren Lagerringes 02 weist das Wälzlager 01 einen zweiten Blechträger 22 auf, welcher rechtwinklig ausgebildet ist. Der zweite Blechträger 22 ist auf der gegenüberliegenden axialen Seite des ersten Blechträgers 19, also auf der axialen Seite des Schleifkontaktelements 13, angeordnet. An dem zweiten Blechträger 22 ist das Schleifkontaktelement 13 drehfest angeordnet, wobei das Schleifkontaktelement 13 schleifend an der Blechhülse 14 zum Anliegen kommt und somit einen elektrischen Pfad zur Stromableitung ausbildet.
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4 zeigt eine Teilansicht eines Querschnittes einer vierten bevorzugten Ausführungsform des Wälzlagers 01. Die in 4 gezeigte Ausführungsform gleicht zunächst der in 3 gezeigten Ausführungsform. Abweichend zu der in 3 gezeigten Ausführungsform weist die in 4 gezeigte Ausführungsform keine axiale Erstreckung an den Lagerringen 02, 03 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Wälzlager
- 02
- äußerer Lagerring
- 03
- innerer Lagerring
- 04
- Wälzkörper
- 05
- -
- 06
- Sensoreinheit
- 07
- Winkelsensor
- 08
- Encoderscheibe
- 09
- elektrische Leitung
- 10
- -
- 11
- erste axiale Erstreckung
- 12
- zweite axiale Erstreckung
- 13
- Schleifkontaktelement
- 14
- Blechhülse
- 15
- -
- 16
- Spannstift
- 17
- Dichtungsring
- 18
- Lagerinnenraum
- 19
- erster Blechträger
- 20
- -
- 21
- axiale Erstreckung
- 22
- zweiter Blechträger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112013006421 T5 [0002]
- EP 2116813 A1 [0003]
- JP 2000266067 A [0004]
- EP 1755207 B1 [0005]
- DE 102004016738 B3 [0006]
- WO 2017/148586 A1 [0007]
