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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorlageranordnung, insbesondere eine Sensoranordnung für einen Elektromotor, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensorlageranordnung.
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Im Stand der Technik sind Sensorlageranordnungen, insbesondere für Elektromotoren bzw. Elektromaschinen bekannt. Derartige Sensorlageranordnungen kommen insbesondere in der Elektromobilität zum Einsatz, wobei die Lager in diesem Einsatzgebiet für vergleichsweise hohe Drehzahlen ausgelegt sein müssen. Bei solchen Elektromotoren werden insbesondere Wälzlager für die Drehzahl-/ Kraftübertragung und Sensoren, wie Resolver oder Drehgeber für die Kommutierung verwendet. Derartige Sensoren werden zur Erfassung einer Winkellage eines Rotors gegenüber einem Stator eingesetzt, um diese Kenngröße beispielsweise zur Ansteuerung eines Elektromotors heranzuziehen. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2017 103 414 A1 eine Resolverlageranordnung umfassend einen Winkelsensor, wobei der Winkelsensor einen Resolverrotor und einen Resloverstator umfasst.
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Ausgehend von diesen bekannten Sensorlageranordnungen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorlageranordnung bereitzustellen, die einfacher und mit einer kleineren mechanischen Toleranzkette bereitgestellt werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Integrationsgrad einer solchen Sensorlageranordnung zu erhöhen, so dass eine einfachere und kostengünstigere Herstellung und Montage einer solchen Sensoranordnung bereitgestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sensorlageranordnung nach dem unabhängigen Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensorlageranordnung nach dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Eine erfindungsgemäße Sensorlageranordnung umfasst: einen Außenlagerring und einen Innenlagerring, die zueinander um eine gemeinsame Drehachse drehbar sind; zumindest einen Wälzkörper, der in Laufbahnflächen der Lagerringe (Außenlagerring und Innenlagerring) angeordnet ist; zumindest einen Sensor zur Detektion einer relativen Winkelstellung oder Drehzahl der Lagerringe zueinander, wobei der Sensor einen am Innenlagerring drehfest angeordneten Rotor und einen dem Rotor gegenüberliegend angeordneten Stator umfasst; wobei der Innenlagerring eine Aufnahmefläche für einen Befestigungsabschnitt des Rotors umfasst, und wobei die Aufnahmefläche am Innenlagering benachbart zur Laufbahnfläche des zumindest einen Wälzkörpers vorgesehen ist.
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Die benachbarte Anordnung der Aufnahmefläche für den Befestigungsabschnitt des Rotors und der Laufbahnfläche des Wälzkörpers erlaubt es, beide Flächen in derselben Aufspannung zu schleifen, d.h. während der Herstellung muss das Werkstück nicht neu eingespannt werden, um die Aufnahmefläche und die Laufbahnfläche zu bearbeiten. Mit anderen Worten sind die Aufnahmefläche und die Laufbahnfläche auf derselben Seite des Innenlagerrings in räumlicher Nähe zueinander vorgesehen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnahmefläche auf einer radialen Innenringverlängerung, einem sogenannten Innenringausläufer, vorgesehen. Unter einer benachbarten Anordnung der Aufnahmefläche und der Laufbahnfläche ist somit keine unmittelbar benachbarte Anordnung zu verstehen. Beispielsweise kann zwischen der Aufnahmefläche und der Laufbahnfläche eine Dichtungsfuge zur Aufnahme einer Dichtung vorgesehen sein. Dadurch, dass die Aufnahmefläche und die Laufbahnfläche benachbart angeordnet sind und in derselben Aufspannung bearbeitet werden können, können beide Flächen mit einer kleineren Toleranzkette bereitgestellt werden, was zu deutlichen Toleranzvorteilen für die Sensorik führt.
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Vorteilhafterweise ist am Innenlagerring, besonders bevorzugt an einer radialen Innenringverlängerung, ein Axialanschlag für den Befestigungsabschnitt des Rotors vorgesehen. Dadurch besteht die Möglichkeit den Rotor bzw. dessen Befestigungsabschnitt in Richtung des Axialanschlags während des Betriebs oder der Montage zu sichern.
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Vorteilhafterweise sind die Maßverkörperung des Rotors und der Stator radial gegenüberliegend angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt auf, wobei ein Schenkel als Befestigungsabschnitt und ein Schenkel als Maßverkörperung ausgebildet ist. Die Maßverkörperung des Rotors stellt dabei den Bereich des Rotors dar, durch dessen Relativbewegung zum Stator die eigentliche Winkelmessung erfolgt. Mit anderen Worten erfolgt in der bevorzugten Ausführungsform eine Erfassung der Relativposition des Stators zum Rotor nur mittels der Maßverkörperung und nicht mittels des Befestigungsabschnitts des Rotors.
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Vorteilhafterweise umfasst die Sensorlageranordnung ein Lagerschild und einen Statorträger, wobei am Statorträger der Stator angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Statorträger und der Außenlagerring als integrales Bauteil ausgebildet sind. Dadurch besteht die Möglichkeit der Bauteilreduktion und darüber hinaus ergibt sich eine feste relative Anordnung des Statorträgers und des Außenlagerrings. Letzteres erhört die Genauigkeit der Sensoranordnung, sowie den Montageaufwand.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Statorträger und das Lagerschild als integrales Bauteil ausgebildet sind. Auch mit dieser bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit der Bauteilreduktion. Darüber hinaus kann in dieser Ausführungsform eine feste relative Anordnung des Statorträgers und des Lagerschilds bereitgestellt werden. Letzteres erhört wiederum die Genauigkeit der Sensoranordnung, als auch den Montageaufwand.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der Statorträger, der Außenlagerring und das Lagerschild als integrales Bauteil ausgebildet. Mit dieser bevorzugten Ausführungsform ergibt sich eine besonders hohe Bauteilreduktion und eine besonders vorteilhafte Erhöhung der Genauigkeit der Sensoranordnung, da die relative Positionierung des Statorträgers, des Außenlagerrings und des Lagerschilds durch die integrale Ausbildung vorgegeben ist. Darüber hinaus kann mit dieser Ausführungsform auch der Montageaufwand minimiert werden, da nur noch ein integrales Bauteil bei der Montage positioniert werden muss, anstatt wie im Stand der Technik üblich drei Bauteile separat montiert werden müssen.
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Vorteilhafterweise umfasst die Sensorlageranordnung eine Federeinrichtung, vorzugsweise einen Blechstapel oder eine Wellenfeder, die in Axialrichtung links oder rechts am Statorträger oder am Lagerschild angeordnet ist. Durch eine solche Federeinrichtung besteht die Möglichkeit das Lager gegenüber einer entsprechenden Axialkraft vorzuspannen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Sensorlageranordnung, bei dem Laufbahnfläche und die Aufnahmefläche des Innenlagerrings mit einer Aufspannung bearbeitet werden, insbesondere geschliffen werden. Durch die benachbarte Anordnung der Aufnahmefläche für den Befestigungsabschnitt des Rotors und der Laufbahnfläche des Wälzkörpers ist es möglich, beide Flächen in derselben Aufspannung zu bearbeiten, beispielsweise zu schleifen. Mit anderen Worten muss das Werkstück bei der Herstellung nicht neu eingespannt werden, um die Aufnahmefläche und die Laufbahnfläche zu bearbeiten. Dadurch können beide Flächen mit einer größeren Genauigkeit hinsichtlich ihrer relativen Positionierung zueinander bereitgestellt werden. Im Ergebnis kann eine erfindungsgemäße Sensorlageranordnung daher mit besseren Toleranzen bereitgestellt werden, was wiederum zu einer höheren Genauigkeit der Sensorik führt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Figuren. Alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale können unabhängig von ihrer Darstellung in einzelnen Ansprüchen, Figuren, Sätzen oder Absätzen miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Teilansicht eines Querschnittes Motor-Sensoranordnung mit einer bekannten Sensorlageranordnung;
- 2 eine schematische Teilansicht eines Querschnittes einer Motor-Sensoranordnung mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung;
- 3 eine schematische Teilansicht eines Querschnittes einer Motor-Sensoranordnung mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung;
- 4 eine schematische Teilansicht eines Querschnittes einer Motor-Sensoranordnung mit einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung;
- 5 eine schematische Teilansicht eines Querschnittes einer Motor-Sensoranordnung mit einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung;
- 5A ein perspektivische Ansichten der Sensorlageranordnung aus 5;
- 5B die Motor-Sensoranordnung aus 5 mit einer alternativen Anordnung einer Federeinrichtung der Sensorlageranordnung;
- 5C die Motor-Sensoranordnung aus 5 mit einer weiteren alternativen Anordnung einer Federeinrichtung der Sensorlageranordnung;
- 6 eine schematische Teilansicht eines Querschnittes einer Motor-Sensoranordnung mit einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung; und
- 7 zwei bevorzugte Ausgestaltungen einer Federeinrichtung zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung.
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In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte verwendet, wobei nur die jeweiligen Unterschiede erläutert werden und die Erläuterungen daher für alle Objekte gelten, soweit Unterschiede nicht ausdrücklich erläutert werden.
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1 zeigt eine schematische Teilansicht eines Querschnitts einer bekannten Motor-Sensoranordnung 01, die rotierbar um eine Rotationsachse 02 ausgebildet ist. Die in 1 gezeigte Motor-Sensoranordnung 01 umfasst einen Elektromotor, der wiederum einen Motor-Stator 03 und einen Motor-Rotor 04 umfasst.
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Darüber hinaus umfasst die Motor-Sensoranordnung 01 eine Festlageranordnung 05 und eine Sensorlageranordnung 06, die als Loslageranordnung ausgebildet ist. Die Sensorlageranordnung 06 umfasst wiederum einen Innenlagerring 07 und einen Außenlagerring 08, in die jeweils Laufbahnflächen 09 vorgesehen sind. In den Laufbahnflächen 09 ist ein Wälzkörper 10 gelagert, so dass die Lagerringe 07, 08 relativ zueinander drehbar sind.
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Die Sensorlageranordnung 06 umfasst ferner ein Lagerschild 11, das zwischen dem Außenlagerring 08 und einem Gehäuse 12 der Sensoranordnung 06 bzw. der Motor-Sensoranordnung 01 vorgesehen ist.
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Schließlich umfasst die Sensorlageranordnung
06 einen Sensor zur Detektion einer relativen Winkelstellung der Lagerringe
07,
08 zueinander, wobei der Sensor einen drehfest angeordneten Rotor
13 und einen dem Rotor
13 gegenüberliegend angeordneten Stator
14 umfasst. In der gezeigten Sensorlageranordnung
06 ist ferner eine Federeinrichtung
15 vorgesehen, um die Sensorlageranordnung
06 gegen eine auftretende Axialkraft vorzuspannen. Hinsichtlich der Funktion des Sensors wird auf die deutsche Druckschrift
DE 10 2017 103 414 A1 der Anmelderin verwiesen.
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2 zeigt eine schematische Teilansicht eines Querschnittes einer Motor-Sensoranordnung mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung 20. Die Sensorlageranordnung 20 umfasst einen Innenlagerring 21 und einen Außenlagerring 22, wobei beide Lagerringe 21, 22 wiederum Laufbahnflächen 23 zur Lagerung eines Wälzkörpers 24 aufweisen.
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Ferner umfasst die Sensorlageranordnung 20 einen Rotor 25 und einen Stator 26. Der Rotor 25 ist dabei vorzugsweise L-förmig ausgebildet, wobei ein Schenkel des Rotors 25 als Befestigungsabschnitt ausgebildet ist, der in einer Aufnahmefläche 27 des Innenlagerrings 21 befestigt ist. Die Aufnahmefläche 27 ist dabei in einer Innenringverlängerung, einem sogenannten Innenringausläufer, vorgesehen, die benachbart zur Laufbahnfläche 23 des Innenlagerrings 21 vorgesehen ist. In weiteren Ausführungsformen kann zwischen der Laufbahnfläche 23 des Innenlagerrings 21 und der Aufnahmefläche 27 des Innenlagerrings 21 eine Dichtungsfuge zur Aufnahme einer Dichtung vorgesehen sein. In der Aufnahmefläche 27 ist ein Axialanschlag 28 für den Befestigungsabschnitt des Rotors 25 vorgesehen. Dadurch wird der Rotor 25 in Richtung des Axialanschlags 28 während des Betriebs oder der Montage gesichert.
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Der Stator 26 ist mittels eines Statorträgers 29 mit dem Außenlagerring 22 verbunden, wobei der Statorträger 29 vorzugsweise an einer Außenringverlängerung 30, einem sogenannten Außenringausläufer, befestigt ist. Vorzugsweise ist auf der Außenringverlängerung 30 ebenfalls ein Axialanschlag 28 für den Statorträger 29 vorgesehen, um den Statorträger 29 in Richtung des Axialanschlags während des Betriebs oder der Montage zu sichern.
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Ein Lagerschild 31 ist am Gehäuse 12 der Sensorlageranordnung 20 bzw. der Motor-Sensoranordnung befestigt, um die Bauteile nach Außen abzuschließen. In der gezeigten Ausführungsform ist ferner eine Federeinrichtung 32 am Stator 26 vorgesehen, wobei die Federeinrichtung 32 vorzugsweise als Blechstapel ausgebildet ist. Die Federeinrichtung 32 kann dabei links oder rechts vom Stator 26 angeordnet sein, je nachdem gegen welcher Richtung eine Vorspannung gegen auftretende Axialkräfte erfolgen soll.
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3 zeigt eine schematische Teilansicht eines Querschnittes einer Motor-Sensoranordnung mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung 35. Im Unterschied zur Sensorlageranordnung 20 aus 2 ist in dieser Ausführungsform der Außenlagerring mit seiner Laufbahnfläche und der Statorträger als integrales Bauteil 36 ausgebildet.
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4 zeigt eine schematische Teilansicht eines Querschnittes einer Motor-Sensoranordnung mit einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung 40. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass das Lagerschild und der Statorträger als integrales Bauteil 41 ausgebildet sind. Ferner ist der Außenlagerring 42 in dieser Ausführungsform als Umformteil und nicht als Massivbauteil ausgebildet. Wie in 4 zu erkennen, ist in dieser Ausführungsform eine Federeinrichtung 43 zwischen dem Außenlagerring 42 und dem integralen Bauteil 41 vorgesehen.
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Die 5 zeigt eine schematische Teilansicht eines Querschnittes einer Motor-Sensoranordnung mit einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung 50. Die 5A zeigt perspektivische Ansichten der Sensorlageranordnung 50 aus 5, wobei in den in 5A gezeigten perspektivischen Ansichten die beispielhafte Anordnung von Dichtungen 60 zwischen dem Innenlagerring 51 und dem Außenlagerring 52 illustriert ist.
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In dieser Ausführungsform ist das Lagerschild und der Statorträger wiederum als integrales Bauteil 53 ausgebildet. Das integrale Bauteil 53 wird dabei vorzugsweise mittels Kraftschluss (Presspassung) mit dem Außenlagerring 52 verbunden. Das integrale Bauteil 53 ist im Gehäuse 12 dabei in Axialrichtung frei (Spielpassung am Gehäuse 12). In Axialrichtung wirkt dabei die Federeinrichtung 32, um das Axialspiel der Sensorlageranordnung 50 zu kompensieren. Der Unterschied zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht im Wesentlichen darin, dass der Außenlagerring 52 als Massivbauteil ausgebildet ist und keine Federeinrichtung zwischen dem Außenlagerring 52 und dem integralen Bauteil vorgesehen ist.
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Die 5B und 5C zeigen die Motor-Sensoranordnung aus 5 mit unterschiedlichen Möglichkeiten der Anordnung einer Federeinrichtung 54. In 5B ist eine Federeinrichtung 54 rechts vom Außenlagerring 52 und in 5C ist eine Federeinrichtung 54 links vom Außenlagerring 52 vorgesehen. Ein Vorteil der hier gezeigten Anordnungen der Federeinrichtung 54 im Vergleich zu der in 4 gezeigten Anordnung der Federeinrichtung 43 besteht darin, dass das Radialspiel zwischen dem integralen Bauteil 53 und dem Außenlagerring 52 kleiner ist, da der Außenlagerring 52 in dieser Ausführungsform geschliffen werden kann und dies zu kleineren Durchmessertoleranzen führt.
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6 zeigt eine schematische Teilansicht eines Querschnittes einer Motor-Sensoranordnung mit einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorlageranordnung 70. Im Unterschied zur in 2 gezeigten Sensorlageranordnung 20 ist in dieser Ausführungsform das Lagerschild, der Statorträger und der Außenlagerring als integrales Bauteil 71 ausgebildet.
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7 zeigt beispielhaft zwei Ausgestaltung der Federeinrichtungen 32, 43 in Form zweier vorzugsweise eingesetzten Wellenfedern, die in einer erfindungsgemäßen Sensorlagereinrichtung eingesetzt werden können. Derartige Wellenfedern weisen einen vergleichsweise großen Federweg unter Beibehaltung einer konstanten Federzahl auf. Alternativ zu den gezeigten Wellenfedern kann beispielsweise ein vorgespannter Blechstapel eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Motor-Sensoranordnung
- 02
- Rotationsachse
- 03
- Motor-Stator
- 04
- Motor-Rotor
- 05
- Festlageranordnung
- 06
- Sensorlageranordnung
- 07
- Innenlagerring
- 08
- Außenlagerring
- 09
- Laufbahnflächen
- 10
- Wälzkörper
- 11
- Lagerschild
- 12
- Gehäuse
- 13
- Rotor
- 14
- Stator
- 15
- Federeinrichtung
- 20
- Sensorlageranordnung
- 21
- Innenlagerring
- 22
- Außenlagerring
- 23
- Laufbahnflächen
- 24
- Wälzkörper
- 25
- Rotor
- 26
- Stator
- 27
- Aufnahmefläche
- 28
- Axialanschlag
- 29
- Statorträger
- 30
- Außenringverlängerung
- 31
- Lagerschild
- 32
- Federeinrichtung
- 35
- Sensorlageranordnung
- 36
- integrales Bauteil (Außenlagerring und Statorträger)
- 40
- Sensorlageranordnung
- 41
- integrales Bauteil (Lagerschild und Statorträger)
- 42
- Außenlagerring
- 43
- Federeinrichtung
- 50
- Sensorlageranordnung
- 51
- Innenlagerring
- 52
- Außenlagerring
- 53
- integrales Bauteil (Lagerschild und Statorträger)
- 54
- Federeinrichtungen
- 60
- Dichtungen
- 70
- Sensorlageranordnung
- 71
- integrales Bauteil (Lagerschild, Statorträger und Außenlagerring)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017103414 A1 [0002, 0022]
