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Die Erfindung betrifft eine Statorkupplung zur drehsteifen, jedoch in axialer und radialer Richtung nachgiebigen Verbindung eines Drehzahlsensors und einer Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der
DE 198 06 661 C2 eine Statorkupplung mit planem Aufbau bekannt, bei der einzelne Ringe konzentrisch angeordnet und durch kreisförmige Aussparungen voneinander getrennt sind. Zum Zusammenhalten der Ringe sind diese über Stege miteinander verbunden, die wiederum die kreisförmigen Aussparungen unterbrechen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 038 981 B4 ist eine Statorkupplung mit Befestigungselementen zur drehfesten Verbindung einer Winkelmessvorrichtung mit einer drehbaren Achse bekannt, bestehend aus ineinander angeordneten geschlossenen Ringen beliebiger Geometrie, die über Stege, die zwischen unterschiedlichen Ringen versetzt angeordnet sind, miteinander verbunden sind.
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Aus der Druckschrift
DE 202 005 019 830 U1 ist zur Messung der Drehbewegung einer Welle in Bezug auf ein Bauelement ein Drehgeber mit einer Geberwelle bekannt. Die Geberwelle trägt eine Winkelmassverköerperung, welche von einer Abtasteinrichtung abgetastet wird. Die Geberwelle wird mit der zu messenden Welle starr gekuppelt, so dass sich die Winkelmassverkörperung mit der zu messenden Welle dreht. Die Abtasteinrichtung wird mit einem Bauelement drehfest verbunden. Als Kupplung zwischen der Abtasteinrichtung und dem Bauelement wird ein Kardangelenk zu verwenden. Dieses Kardangelenk erlaubt eine Taumelbewegung der Geberwelle und der Abtasteinrichtung in Bezug auf die Achse der zu messenden Welle.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Statorkupplung bereitstellen zu können, welche insbesondere auch für axial kurz bauende Antriebs-Sensor-Aufbauten verwendet werden kann, bei denen also auch bei begrenztem Bauraum eine hohe Drehsteifigkeit möglich ist, auch wenn eine Nachgiebigkeit in axialer bzw. radialer Richtung bestehen muss.
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Die Aufgabe wird, ausgehend von einer Statorkupplung der eingangs genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Die erfindungsgemäße Statorkupplung dient dazu, einen Drehzahlsensor, etwa einen Drehgeber und eine Antriebsvorrichtung, z. B. einer Lüfterhaube, miteinander zu verbinden. Dazu müssen die jeweiligen Wellen von Antriebsvorrichtung und Drehzahlsensor mechanisch starr miteinander gekoppelt bzw. verbunden werden, sodass die von der Antriebsvorrichtung ausgeführte Drehbewegung auf den Drehzahlsensor direkt übertragen werden kann. Die drehsteife Verbindung ist deshalb notwendig, weil ansonsten keine genaue Messung der Drehzahl bzw. des Drehwinkels möglich ist. In radialer bzw. in axialer Richtung jedoch sind in der Regel mechanische Schwingungen auszugleichen bzw. liegen in der Praxis Toleranzen bei der Fertigung und somit ein gewisses mechanisches Spiel vor, sodass dieses Spiel auszugleichen ist und auch nicht ohne Weiteres vermieden werden kann. Zuweilen sollen sogenannte Taumelbewegungen des Stators zugelassen werden, während die Drehfestigkeit aber dennoch eine genaue Winkel bzw. Drehzahlmessung ermöglicht.
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Im vorliegenden Fall ist die erfindungsgemäße Statorkupplung eben ausgebildet und kann entsprechend ein Blech aufweisen, das wiederum einen ersten, einen zweiten und einen dritten Ring umfasst. Diese Ringe, welche im Grunde auch das Blech ausbilden, sind konzentrisch angeordnet, d.h. der erste Ring bildet einen äußeren Ring und umgibt den zweiten Ring, während der zweite Ring wiederum den ersten Ring umgibt. Der erste Ring weist eine Lagerungsöffnung auf bzw. umgibt eine Lagerungsöffnung, durch welche eine oder die beiden miteinander zu verbindenden Wellen geführt werden können. Die Lagerungsöffnung wird als Aussparung im Blech ausgeführt. Einander benachbarte Ringe werden über sogenannte Stege miteinander verbunden, d.h. im entsprechenden Bereich ist einer der Ringe so ausgeformt, dass er in den benachbarten Ring übergeht. Das Blech ist also eine zusammenhängende Struktur.
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Die erfindungsgemäße Statorkupplung zeichnet sich dadurch aus, dass die Stege jeweils einen länglichen Abschnitt aufweisen, der so ausgeformt ist, dass der längliche Abschnitt quer zu einem vom Mittelpunkt der Lagerungsöffnung ausgehenden, radial verlaufenden Strahl verläuft. Während nach dem Stand der Technik die Stege herkömmlicherweise radial verlaufen, gehen die erfindungsgemäßen Stege in einen länglichen Abschnitt über, der quer zur radialen Richtung verläuft. Durch den Mittelpunkt der Lagerungsöffnung verläuft in der Regel die Welle, sodass radial verlaufende Strahlen im Sinne der Erfindung vom Mittelpunkt der Lagerungsöffnung ausgehen. Dadurch wird erreicht, dass eine höhere Drehfestigkeit besteht, weil quer zur radialen Richtung ein Abschnitt bzw. eine Komponente des Steges verläuft und in Drehrichtung für mehr Abstützung sorgt. Ein Verlauf quer zur radialen Richtung bedeutet insbesondere, dass dieser Abschnitt senkrecht zur radialen Richtung steht. Es ist aber durchaus denkbar, dass die Querrichtung um zum Beispiel 5° bis 6° von einer reinen 90°- Ausrichtung zur radialen Richtung abweicht.
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Der Steg kann also zusammen mit dem jeweiligen Übergang von einem Ring zum länglichen Abschnitt zum nächsten Ring S-förmig ausgebildet sein. Im Bereich zu den jeweiligen Ringen hin kann der Steg bzw. der längliche Abschnitt sich auch verbreitern und somit eine bessere und stabilere Abstützung ermöglichen.
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Ferner sind die Stege, welche die gleichen Ringe miteinander verbinden, in Bezug auf die Lagerungsöffnung zur Lagerung der Wellen bzw. der Wellen gegenüberliegend angeordnet. Außerdem zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Stege doppelkardanisch angeordnet sind, sodass zwei der Stege, die winkelmäßig in Bezug auf den Mittelpunkt der Lagerungsöffnung als Ursprung benachbart sind und unterschiedliche Ringe miteinander verbinden, um 90° versetzt angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht einerseits eine besonders hohe Drehfestigkeit, andererseits kann aber auch eventuell auftretendes Spiel bei Verbindung von Drehzahlsensor und Antriebsvorrichtung in axialer und radialer Richtung durch erhöhte Nachgiebigkeit besser ausgeglichen werden. Die Lagerlebensdauern der Antriebsvorrichtung und des Drehzahlsensors können somit in vorteilhafter Weise erhöht werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind insbesondere an zwei der Ringe Befestigungselemente angebracht. In der Regel handelt es sich dabei um Bohrlöcher zur Aufnahme von Schrauben. Am äußeren (ersten) Ring wird dabei in der Regel die Antriebsvorrichtung befestigt, während am inneren Ring (dritten Ring) der Drehzahlsensor befestigt wird. In der Regel erfordert auch der Drehzahlsensor einen geringeren Durchmesser als die Antriebsvorrichtung.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung verlaufen die länglichen Abschnitte gerade. Gegenüber gekrümmt verlaufenden Streckenabschnitten haben sich gerade längliche Abschnitte als besonders drehfest erwiesen.
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Insbesondere können bei einer Ausführungsform der Erfindung die länglichen Abschnitte tangential zu einer um den Mittelpunkt der Lagerungsöffnung verlaufenden Kreislinie ausgebildet sein. Wenn also die länglichen Abschnitte gerade verlaufen, stehen diese nur in einem Punkt senkrecht zu einem radial vom Mittelpunkt kommenden Strahl. Somit kann eine Kraftkomponente, die durch die Drehung verursacht wird und somit auch tangential um den Mittelpunkt bzw. um die Lagerung der Welle herum ausgeübt wird, effektiv durch den länglichen Abschnitt aufgenommen werden. Durch eine entsprechende tangentiale Ausrichtung kann somit die Kraft besonders gut abgestützt werden. Bei einer geraden Ausrichtung des länglichen Abschnitts kann eine Kraftkomponente in Längsrichtung geführt und über den länglichen Abschnitt aufgenommen werden, ohne dass dieser seitlich verbogen wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung sind zwei der benachbarten Ringe über wenigstens eine umlaufende Aussparung, mit Ausnahme der Stege, voneinander getrennt. Werden zwei benachbarte Ringe durch zwei Stege miteinander verbunden, so bietet es sich in der Regel an, die Aussparung, die einen Ring umgibt, in zwei Teilen auszubilden, die jeweils einen Winkelbereich von 180° oder mehr um den Mittelpunkt der Lagerungsöffnung herum erfassen. In der Regel sind die Aussparungen, die einen Ring umgeben, unterbrochen und somit beispielsweise in unterschiedliche Bereiche eingeteilt, da sonst der Ring nicht mehr gehalten werden könnte. Beispielsweise kann die Aussparung zweigeteilt sein. Ferner können im Bereich der länglichen Abschnitte die Aussparungen wenigstens teilweise überlappen. Der längliche Abschnitt kann sich dann zwischen den überlappenden Bereichen der länglichen Abschnitte befinden, da er auch so ausgebildet sein kann, dass er in die gleiche Richtung zeigt, wie die entsprechenden Bereiche der Aussparung. Durch diese Maßnahme wird vor allem in axialer Richtung ein entsprechendes Spiel ermöglicht, denn die Ringe können in axialer Richtung gegeneinander verschoben werden.
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Ferner hat die Aussparung gegebenenfalls auch eine weitere Funktion. Als Antriebsvorrichtung kann beispielsweise eine Lüfterhaube verwendet werden. Durch die Aussparungen können wiederum Luftströmungen durchgeführt werden.
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Die Form der Aussparung bzw. der Stege und der Ringe kann wesentlich davon abhängen, welcher Drehzahlsensor und welche Antriebsvorrichtung miteinander gekoppelt werden sollen. Der Aufbau aus Antrieb und Drehzahlsensor bildet ein schwingfähiges Mehrmassensystem, welches über die Statorkupplung gekoppelt ist. Somit kann auch eine Eigenfrequenz berechnet werden, die unter anderem von der Torsionsfederkonstante der Statorkupplung und dem Trägheitsmoment der ruhenden Sensor-Stator-Masse abhängt. Das Trägheitsmoment des Drehzahlsensors beeinflusst maßgeblich den Wert der Eigenfrequenz der Statorkupplung, ist aber durch die zumeist vorgegebenen Anbauverhältnisse nur begrenzt beeinflussbar. Eine Beeinflussung der Eigenfrequenz wird daher vor allem durch die konstruktive Gestaltung der Statorkupplung ermöglicht. Dazu wird die Torsionsfederkonstante möglichst groß gewählt, sodass ein hohes Maß an Steifigkeit vorliegt. In der konstruktiven Gestaltung ergeben sich bei Ausführungsbeispielen der Erfindung etwa die Möglichkeit, folgende vier Größen zu beeinflussen:
- - Zum einen kann die Breite des länglichen Abschnitts als Teil des Steges grundsätzlich variiert werden.
- - Des Weiteren kann die Blechdicke unterschiedlich ausgeprägt sein.
- - Ferner kann die Strecke, auf der die benachbarten Teile der Aussparung zwischen zwei Ringen überlappen, grundsätzlich unterschiedlich gewählt werden. Diese Strecke kann auch mit der Länge der länglichen Abschnitte übereinstimmen, da die länglichen Abschnitte zwischen diesen Teilen der Aussparung angeordnet sind, die sich überlappen.
- - Schließlich kann der Abstand zwischen zwei Aussparungen, die jeweils unterschiedliche Ringe umgeben und somit benachbart angeordnet sind, variiert werden. Bei einer Variation des Abstandes der Aussparungen wird gleichzeitig auch die Breite des entsprechenden Ringes zwischen den Aussparungen verändert.
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Die genannten Parameter bestimmen auch die Steifigkeit bzw. Nachgiebigkeit sowie die Eigenfrequenz.
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Die Eigenfrequenz wird maßgeblich durch die Breite des länglichen Abschnitts und den Abstand der Aussparungen, die unterschiedliche Ringe umgeben beeinflusst. Die Strecke, auf der Teile der Aussparung überlappen, beeinflusst im Wesentlichen die Nachgiebigkeit. Die Eigenfrequenz kann im Wesentlichen dadurch bestimmt werden, dass das entsprechende Mehrmassensystem in Schwingung versetzt und das Abklingverhalten vermessen wird. Dabei hat sich rausgestellt, dass bereits kleine Änderungen der genannten Parameter zu einer deutlichen Änderung der Eigenfrequenz führen können. Damit die Statorkupplung das System möglichst wenig beeinflusst, muss die Eigenfrequenz möglichst hoch gewählt werden, damit sichergestellt ist, dass das in Schwingung geratene System nicht gerade das gekoppelte System mit der Statorkupplung in Resonanz anregt. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Eigenfrequenz möglichst hoch zu wählen, da das Risiko entsprechender Anwendungen im Resonanzfall somit geringer ausfällt. Ansonsten die anzuregen Schwingung im vorliegenden Fall eher im niederfrequenter Bereich zu finden. Bei den meisten Systemen sind Eigenfrequenzen im Bereich von 500 Hz ausreichend. Bei kleinen massiven Motoren können höhere Frequenzen als Eigenfrequenzen notwendig sein, etwa im Bereich von 1200 Hz. Des Weiteren kann mit der Blechstärke die Eigenfrequenz verändert werden. Üblicherweise kommen Materialstärken von ein bis 3 Millimeter zur Anwendung. Bei einer Materialstärke von 3 Millimeter lässt sich die Eigenfrequenz bis 1400 Hz erhöhen.
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In typischen Fällen kann die Strecke, auf der die benachbarten Teile der Aussparung zwischen zwei Ringen überlappen, 7mal bis 15mal, insbesondere zehnmal so groß wie die Breite des jeweiligen länglichen Abschnitts, den sie seitlich begrenzen, gewählt werden. Ferner kann im Bereich der länglichen Abschnitte in radialer Richtung der Abstand von zwei benachbarten Aussparungen, die den gleichen Ring abgrenzen, halb bis ein Viertel, insbesondere ein Drittel so groß sein wie die Strecke, auf der sich die benachbarten Teile der Aussparungen, die den gleichen Ring insgesamt umgeben, überlappen. Im Bereich der länglichen Abschnitte wiederum kann in radialer Richtung der Abstand von zwei der benachbarten Aussparungen, die unterschiedliche Ringe umgeben, dreimal bis achtmal, insbesondere fünfmal so groß sein wie die Breite des jeweiligen länglichen Abschnitts.
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Als typische Größen können beispielsweise folgende Parameter verwendet werden:
- - Der Abstand von zwei benachbarten Aussparungen, die unterschiedliche Ringe umgeben, kann in radialer Richtung etwa 6 bis 8 Millimeter betragen.
- - Die Breite wenigstens eines der länglichen Abschnitte in radialer Richtung kann ein bis 2 Millimeter betragen.
- - Außerdem kann die Überlappstrecke, über welche im Bereich der länglichen Abschnitte Teile der Aussparungen überlappen, die den gleichen Ring umgeben, 15 bis 20 Millimeter betragen.
- - Die Überlappstrecke, über die im Bereich der länglichen Abschnitte die Aussparungen, welche den gleichen Ring umgeben, überlappen, kann in Bezug zum Mittelpunkt der Lagerungsöffnung einen Winkelbereich von höchstens 45° überdecken. Hierdurch wird eine gute Drehfestigkeit ermöglicht, aber auch die Nachgiebigkeit, vor allem in axialer Richtung (parallel zur Welle) nicht zu stark eingeschränkt.
- - Die Materialstärke in axialer Richtung kann ein bis 3 Millimeter betragen.
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Im Übrigen ist es nicht zwingend notwendig, dass die Aussparungen stets die gleiche Breite aufweisen. Ferner können die Ringe von einer kreisrunden Form auch abweichen. Somit kann auch der Abstand der Ringe in radialer Richtung im Allgemeinen variieren und muss nicht konstant bleiben.
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Die Statorkupplung dient gleichzeitig als Schirmblech vor Fremdfeldern. Hierbei ist das Material der Statorkupplung vorzugsweise aus martensitischen Edelstahl ausgeführt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Zeichnung dargestellt und wird nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1: eine Darstellung einer Statorkupplung gemäß der Erfindung,
- 2: ein System aus Lüfterhaube und Drehgeber, die über eine Statorkupplung gemäß der Erfindung miteinander verbunden sind, sowie
- 3: eine Draufsicht auf die Statorkupplung mit einem Drehgeber aus 2.
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1 zeigt eine Statorkupplung 1 zur drehsteifen, in axialer und radialer Richtung aber nachgiebigen Verbindung eines Drehzahlsensors und einer Antriebsvorrichtung. Die Statorkupplung 1 umfasst ein Blech 2, welches in einen ersten Ring 3, einen zweiten Ring 4 und einen dritten Ring 5 unterteilt werden kann. Das Blech 2 besitzt hinsichtlich seiner Außenkontur im Wesentlichen eine viereckige Form, die in den Eckbereichen abgekantet ist, sodass eine achteckige Form entsteht. In den Ecken sind jeweils zur Befestigung Löcher 6 eingebracht. Des Weiteren umfasst der innere dritte Ring vier Bohrlöcher 7, mit denen die Statorkupplung 1 mit dem Drehgeber D verbunden wird. Über die Bohrlöcher 6 wird die Lüfterhaube L angeschraubt. Die einzelnen Ringe 3, 4, 5 sind jeweils über Aussparungen 8.1, 8.2 sowie 9.1, 9.2 voneinander getrennt. Der dritte, innere Ring umgibt eine Lagerungsöffnung 10 mit einem Mittelpunkt M, in der die Welle des Lüfters bzw. Drehgebers gelagert wird. Der zweite Ring 4 wird nach außen hin von der Aussparung 8.1 und 8.2 umgeben. Erster Ring 3 und zweiter Ring 4 sind lediglich über einen Steg 11 mit einem länglichen Abschnitt in der Mitte 12 miteinander verbunden. Der längliche Abschnitt 12 besitzt eine Breite a und erstreckt sich im Wesentlichen genau über die Länge, über welche die Teile 8.1 und 8.2 der entsprechenden Aussparung in dieser Ecke überlappen. Diese Überlappungsstrecke wird mit b bezeichnet. Zum Teil der Aussparung 8.1 ist die nächste Aussparung der Teil 9.2, welche den ersten Ring 5 teilweise umgibt. Dieser Abstand wird mit c bezeichnet. Durch die Wahl der Parameter a und c kann vor allem die Eigenfrequenz beeinflusst werden. Durch den Parameter b wiederum kann insbesondere die Nachgiebigkeit beeinflusst werden.
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2 wiederum zeigt ein schwingfähiges Mehrmassensystem 20, umfassend einen Lüfter L, einen Drehgeber D und eine Statorkupplung 1. Da es sich bei der Antriebsvorrichtung im vorliegenden Fall um den Lüfter L handelt, kann durch die Aussparungen, die zwischen Lüftergehäuse L und dem Drehgeber D noch sichtbar sind, hier vor allem die Aussparung 8.1, 8.2, der Luftstrom des Lüfters L hindurchtreten. In 3 ist die Statorkupplung 1 noch einmal gezeigt, die mit einem Drehgeber D aus 2 verbunden ist. Der Drehgeber D ist über Schraubverbindungen im Bereich zweier Bohrlöcher 7 mit dem dritten, inneren Ring 5 verbunden.
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Allen Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ist gemeinsam, dass zum Erzielen einer hohen Drehfestigkeit und einer Nachgiebigkeit in axialer bzw. radialer Richtung eine doppelkardanische Anordnung der Stege vorgesehen ist, mit denen die Ringe innerhalb der Statorkupplung miteinander verbunden sind, wobei die Stege einen länglichen Abschnitt aufweisen, der so ausgeformt ist, dass der längliche Abschnitt quer zu einem vom Mittelpunkt der Aussparung ausgehen radial verlaufenden Strahl verläuft.
