DE3880639T2 - Lager mit Magnetfelddetektor. - Google Patents

Lager mit Magnetfelddetektor.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lager mit Magnetfelddetektor entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs, welches eine Anzeige der Winkelbewegung des Drehteils bezüglich eines koaxialen ringförmigen Ringes liefert.
  • Die Veröffentlichung EP-A-0 213 732 beschreibt einen Magnetring zur Detektion der Drehung eines Körpers zur Anordnung auf diesem Körper und zur Erzeugung eines magnetischen Signals, das mit einem Detektor zusammenwirkt. Der magnetische Ring besitzt eine Magnetisierung, die durch eine Vielzahl von magnetischen Polen entgegengesetzten Vorzeichens gebildet wird.
  • Das Patent US 37 16 788 beschreibt einen Detektor mit variablem magnetischen Widerstand, der einer Radlageranordnung zugefügt wird, um die Geschwindigkeit der Achse zu messen. Ein gezahnter Rotor ist auf einem inneren drehbaren Lagerring ausgebildet, der gegenüber einem gezahnten Stator angeordnet ist, der am äußeren feststehenden Lagerring befestigt ist. Der äußere Ring trägt ebenfalls den magnetischen Fühler, welche eine Spannung erzeugt als Funktion der Änderungen des durch Ausrichtung der Zähne des Stators und des Rotors während der Drehung induzierten magnetischen Flusses. Die Frequenz des erzeugten Wechselstromes ist proportional zur Drehgeschwindigkeit der Achse. Ein vergleichbarer Geschwindigkeitsdetektor ist im US-Patent 38 26 933 beschrieben. Der Geschwindigkeitsdetektor weist eine magnetische Fangspule auf, die am feststehenden Ring eines Lagers befestigt ist, während ein Rad mit ferromagnetischen Zähnen am drehbaren Ring des Rollenlagers befestigt ist.
  • Das US-Patent 40 69 435 beschreibt eine Vorrichtung zur Detektion der Relativbewegung in einem Lager. Diese Anordnung besteht aus einer magnetischen Meßspule, die an der Verbindung des am Lager befestigten Außenringes angeordnet ist. Ein gezahntes Rad ist am Drehring des Lagers befestigt. Während der Drehung der Zähne werden die Variationen des Magnetfeldes vom Mgnetfühler erfaßt. Die Frequenz der gemessenen Variationen kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit und die Beschleunigung zu errechnen.
  • Gemäß dem US-Patent 46 88 951 ist ein elektrischer Schaltkreis an einem der beiden Lagerringe befestigt, um das Magnetfeld zu erzeugen.
  • Die bekannten, oben beschriebenen Detektionsvorrichtungen weisen zahlreiche Nachteile auf. Die Detektoren mit variablem magnetischen Widerstand erzeugen ein Spannungssignal am Ausgang, dessen Frequenz und Amplitude proportional zur Geschwindigkeit sind.
  • Bei geringen Geschwindigkeiten ist das Ausgangssignal schwach und kann ungenau sein. Sofern die obengenannten Detektoren den Lagern hinzugefügt werden, ist außerdem der Raumbedarf der Lager größer aufgrund der zusätzlichen Detektions-Bauteile. Die mechanische Präzision und die Genauigkeit des Signals nehmen aufgrund zunehmender Toleranzen ab und der gesamte Aufbau wird komplizierter. Ferner sind derartige Lager schwierig einzubauen und benötigen gelegentlich einen vom Detektor getrennten Einbauvorgang.
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Lager, das mit einem Magnetfelddetektor versehen ist, welches aus einem oder mehreren Detektoren besteht. Das Lager ist mit einem permanenten Magnetfeld bestückt, unabhängig von der Relativgeschwindigkeit eines Teils bezüglich eines anderen und insbesondere auch dann, wenn die Geschwindigkeit Null ist, wodurch man ein einfacheres und kostengünstigeres Lager erhält, verglichen mit den anderen Lagern, welche Magnetfelddetektoren enthalten, die jedoch einen elektrischen Schaltkreis benötigen, um das Magnetfeld zu erzeugen.
  • Erfindungsgemäß weist das Lager, das sich insbesondere aus einem ersten Teil und einem zweiten, relativ zum ersten Teil drehbaren Teil zusammensetzt, eine Anordnung auf, welche ein permantes Magnetfeld erzeugt, sowie eine Magnetfelddetektoranordnung.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen hervor; es zeigen:
  • Fig. 1 einen teilweisen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
  • Fig. 2 eine Frontansicht des permeablen Ringteils von Fig. 1;
  • Fig. 3 einen teilweisen Axialschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;
  • Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 3 im Klemmsitz gezeigten Ringes;
  • Fig. 5 einen teilweisen Axialschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung;
  • Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des magnetisierten Ringes gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5;
  • Fig. 7 eine teilweise perspektivische Ansicht des Außenrings gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5;
  • Fig. 8 einen teilweisen Schnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;
  • Fig. 9 einen Teilschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;
  • Fig. 10 eine Frontansicht des magnetischen Anschlagringes unter Bezug auf Fig. 9; und
  • Fig. 11 eine Frontansicht des Anschlagringes nach Fig. 9 mit eingebautem Magnetfelddetektor.
  • In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 erkennt man eine drehbare Welle 12, die einen koaxialen Ring 14 durchsetzt, der einen radialen Abstand von der drehbaren Welle 12 aufweist. Eine Vielzahl von Rollen 16 sind in dem ringförmigen Raum zwischen der drehbaren Welle und dem koaxialen Ring 14 angeordnet. Die Rollen drehen sich um die drehbare Welle entlang eines axialen Abschnitts 18 der kreisförmigen Oberfläche der drehbaren Welle. Der axiale Abschnitt 18 dient also als Rollweg. Die Innenfläche 20 des koaxialen Ringes dient ebenfalls als Rollweg für die Rollen 16.
  • Im folgenden wird unter dem Ausdruck "Rollweg" eine jegliche Fläche verstanden, entlang derer ein Rollkörper, wie z.B. die Rolle 16, entlangrollt.
  • Der Rollweg 20 des Ringes 14 ist zum Rollweg 18 der Welle 12 ausgerichtet und radial zu ihm beabstandet. Die Rollen 16 werden in der geeigneten axialen Stellung auf den Rollwegen durch kreisförmige Schultern 22 und 24 des Ringes 14 gehalten
  • Auf der Innenfläche 28 des Ringes 14 ist ein Magnet 26 angeordnet. Der Magnet ist axial von den Rollen durch die kreisförmige Schulter 24 getrennt.
  • Ein Magnetfelddetektor 30, z.B. ein magnetoresistiver Detektor mit Halleffekt oder mit Wiegandeffekt, ist auf einer Halterung 29 angeordnet, die mit der Innenfläche des Ringes 14 verbunden ist. Der Magnetfelddetektor ist axial zum Magneten 26 ausgerichtet und axial zu ihm beabstandet.
  • Ein Ringförmiges, für den magnetischen Fluß permeables Bauteil 32 ist fest mit dem Umfang der drehbaren Welle 12 Verbunden. Das Permeable ringförmige Bauteil 32 erstreckt sich radial zwischen dem Permanentmagneten 26 und dem Detektor 30. Das permeable ringförmige Bauteil kann beispielsweise ein Flügelraduterbrecher sein (Fig. 2), der mit der drehbaren Welle verbunden ist und sich mit ihr dreht.
  • Dieser in Fig. 2 gezeigte Flügelradunterbrecher 32 weist eine Vielzahl von Zähnen 34 auf, die im gleichmäßigen Abstand voneinander entlang des Umfangs angeordnet sind und dergestalt Öffnungen oder Nuten 36 bilden, die gleichmäßig entlang des Umfangs verteilt sind. Die Nuten sind radial angeordnet und ermöglichen es dem magnetischen Fluß, vom Magneten 26 zum Detektor 30 durch eine Nut 36 hindurchzufließen, sowie entlang des Ringes 14 und zum Magneten zurückzukehren, wenn eine Nut axial zum Magneten und zum Detektor ausgerichtet ist.
  • Im Betrieb erzeugt der Magnet 26 ein permanetes Magnetfeld. Der magnetische Fluß folgt normalerweise dem vollständigen Weg über den Detektor 30 und den Ring 14 zurück zum Magneten. Da sich jedoch der Flügelradunterbrecher 32 dreht, verhindern die Zähne 34 einen magnetischen Fluß in Richtung des Ringes 14, der demzufolge zum Magneten zurückkehrt, ohne den Detektor durchflossen zu haben. Der Detektor erzeugt demzufolge ein unterbrochenes Signal, welches die zunehmenden winkelmäßigen Verschiebeeinheiten der Achse 12 bezüglich des feststehenden Ringes 14 anzeigt.
  • Je nach dem elektronischen Schaltkreis, welcher das Detektorsignal verarbeitet, kann das Ausgangssignal ein analoges oder ein numerisches Signal sein. Veränderungen der absoluten Amplitude des Ausgangssignales zeigen eine zunehmende Folge von Winkelverschiebungen an.
  • In Fig. 3 ist die drehbare Welle 12 in einem koaxialen Ring 38 mittels Rollen 16 gelagert, die so ausgelegt sind, daß sie in einem ringförmigen Raum rollen, welcher den Rollweg 14 auf der drehbaren Welle 12 vom Rollweg 42 auf der Innenfläche des Ringes 38 trennt.
  • Ein Detektor 44 ist auf der Innenfläche 46 des Ringes 38 vorgesehen. Der Detektor wird in Axialstellung durch eine Unterlegscheibe 48 gehalten, die sich auf der ringförmigen Schulter 50 abstützt, sowie durch eine kreisförmige Schulter 52 an einem Ende des Ringes 38. Die Rollen 16 werden auf den Rollwegen 40 und 42 der drehbaren Welle 12 bzw. des Ringes 38 durch die Anschlagscheibe 48 und die kreisförmige Schulter 54 am anderen Ende des Ringes 38 gehalten.
  • Die Anordnung zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes besteht aus einem permanent-magnetisierten ferromagnetischen Ring 56, der im Klemmsitz auf der drehbaren Welle 12 sitzt. Im folgenden sowie in den Ansprüchen wird unter ferromagnetisch ein Stoff verstanden, der nach einer Einmalmagnetisierung auch bei Fehlen eines äußeren Magnetfeldes eine permanente Magnetisierung beibehält. Ein axialer Abschnitt 58 des ferromagnetischen Ringes 56 ist entlang des Umfangs mit einer Vielzahl von Segmenten magnetischer Pole 60 versehen. Jedes Segment 60 besitzt einen Nordpol und einen Südpol. Diese Segmente sind derart angeordnet, daß jeder Nordpol zwischen zwei Südpolen angeordnet ist und jeder Südpol zwischen zwei Nordpolen angeordnet ist.
  • Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die drehbare Welle in einem Ring 62 angeordnet, der eine Senkung 64 aufweist. Die Rollen werden axial zwischen den Rollwegen 65 und 67 des Ringes 62 bzw. der drehbaren Welle 12 durch eine ringförmige Schulter 66, die durch einen kreisförmigen Flansch 68 in der Nähe eines axialen Endes der Rollen gebildet wird und durch die ringförmige Schulter 70 in der Nähe des anderen axialen Endes der Rollen gehalten.
  • Ein Detektor 72 ist auf einer Halterung 74 angeordnet, welche radial nach innen zur inneren ringförmigen Fläche 76 der Senkung 64 hin vorspringt, mit der sie verbunden ist.
  • Die Anordnung zur Erzeugung des permanenten Magnetfeldes besteht aus einem ferromagnetischen Ring 77, der auf der drehbaren Welle 12 mittels eines Ringes 78 befestigt ist. Der ferromagnetische Ring 77 weist eine Permanentmagnetisierung auf, um so eine Vielzahl von Segmenten 60 mit magnetischen Polen entlang des gesamten Umfanges zu bilden. Jedes Segment weist einen Nordpol und einen Südpol auf.
  • Die Segmente sind derart angeordnet, daß jeder Nordpol zwischen zwei Südpolen angeordnet ist und jeder Südpol zwischen zwei Nordpolen angeordnet ist.
  • Gemäß Fig. 8 sind die Rollkörper Kugeln 80, wobei eine der Rollwege der Kugeln 80 durch einen inneren Ring 82 gebildet wird. Ein äußerer koaxialer Ring 84 ist im radialen Abstand bezüglich des inneren Ringes 82 angeordnet. Die Rollwege der Kugeln 80 werden durch eine ringförmige Außennut 86 auf dem inneren Ring 82 und durch eine ringförmige Nut 87 auf der Innenfläche des äußeren koaxialen Ringes 84 gebildet.
  • Eine Senkung 88 erstreckt sich von einem axialen Ende des äußeren Ringes 84 aus. Ein Detektor 90 ist auf einer Halterung 92 befestigt, die sich radial nach innen, ausgehend von der Innenfläche 95 der Senkung 88 erstreckt, auf welcher die Halterung 92 befestigt ist.
  • Eine axiale Verlängerung 96 des inneren Ringes 82 weist eine Permanentmagnetisierung entlang des gesamten Umfanges mit einer magnetischen Struktur auf.
  • Diese Struktur entspricht derjenigen des magnetischen Feldes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
  • Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen ein Längslager mit einer ersten ringförmigen Längsplatte 98 und einer zweiten ringförmigen Längsplatte 100, die einen axialen Abstand voneinander aufweisen. Der ringförmige Rollweg 102 in radialer Verlängerung der Längsplatte 98 und der Rollweg 104 in radialer Verlängerung der ringförmigen Längsplatte 100 liegen sich gegenüber. Die Anordnung für das permanente Magnetfeld besteht aus einer Vielzahl von permanentmagnetisierten Segmenten 106 (Fig. 10). Die Segmente mit magnetischen Polen sind in einer Struktur angeordnet entlang des gesamten Umfangs eines radialen Abschnitts 108 der Längsplatte 98. Wie Fig. 10 zeigt, weist ein Segment 106 einen Nordpol und einen Südpol auf, wobei die Segmente derart angeordnet sind, daß jeder Nordpol zwischen zwei Südpolen und jeder Südpol zwischen zwei Nordpolen angeordnet ist.
  • Eine ringförmige Kunststoffhalterung 109 für den Detektor ist mit einer Aussparung oder Senkung 110 versehen, in welche die Längsplatte 100 eingreift. Der Rand der äußeren Umfangswand 111 der Aussparung gewährleistet die Haltefunktion 112 und erstreckt sich nach innen bis jenseits des äußeren Umfangsrandes eines Haltekäfigs 113 für die Rollen 114, die demzufolge in der Senkung 110 angeordnet sind.
  • Eine Nut 115 mündet ausgehend vom Umfangsrand der Halterung 109 des Detektors in der Senkung 110 (Fig. 11). Die Magnetfeldetektoranordnung besteht aus einem Detektor 116, der mittels eines Kunstharzes 117 in die Nut 115 in der Nähe der Struktur der magnetischen Pole der Längsplatte 98 befestigt ist. Gegebenenfalls kann ein magnetischer Flußkonzentrator 118 (Fig. 11) entlang des Umfangs in der Nähe des Detektors 116 vorgesehen sein. Dieser Konzentrator für den magnetischen Fluß erleichtert die Verwirklichung des magnetischen Kreises eines Paares abwechselnder Pole des drehbaren Ringes bis zum Detektor des feststehenden Ringes. Ist demzufolge der Detektor 116 auf das Niveau eines magnetischen Segments konzentriert, so ist der Konzentrator 118 für den magnetischen Fluß auf das Niveau eines benachbarten Segmentes mit magnetischen Polen umgekehrter Polarität zentriert, um eine vollständige Passage des magnetischen Flusses zu gewährleisten.
  • Während des Einsatzes sämtlicher Ausführungsbeispiele werden während des Vorbeilaufes eines jeden Segments abwechselnder Polarität vor dem Detektor durch die Polarität und die Intensität des Magnetfeldes elektrische Signale erzeugt, die vom Detektor abgegeben werden.
  • Dieses Spannungssignal kann anschließend durch Schaltkreise weiterverarbeitet werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches eine zunehmende Einheit der Winkelverschiebung darstellt. Diese Einheit ist gleich der Anzahl der Winkelgrade für jedes Polsegment. Die Verwendung von Intensitätsdetektoren für das magnetische Feld gemäß der Erfindung ermöglicht die Erzeugung eines Signals bei sämtlichen Geschwindigkeiten einschließlich der Geschwindigkeit Null.
  • Abhängig vom elektronischen Schaltkreis zur Verarbeitung des vom Detektor gelieferten Signals kann das Ausgangssignal ein analoges oder numerisches Signal sein. Die Veränderungen der Amplitude des Ausgangssignales zeigen eine zunehmende schrittweise Winkelverschiebung an. Das der Winkelverschiebung entsprechende Signal kann anschließend durch einen integrierten Schaltkreis im Detektor verarbeitet werden, um ein Stellungssignal, ein Geschwindigkeitssignal oder ein Beschleunigungssignal zu erhalten.
  • Die Tatsache, eine magnetische Struktur in einem sich drehenden Bauteil zu integrieren, um die zunehmende Drehbewegung anzuzeigen, beseitigt die Notwendigkeit, dem Lager eine getrennte Anzeigeanordnung hinzuzufügen.
  • Die Magnetisierung des drehbaren Bauteils in Form einer großen Anzahl von Segmenten erlaubt darüber hinaus eine sehr hohe Auflösung.
  • Obwohl sich die oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele insbesondere für die Lagertechnologie eignen, kann die Erfindung ebenfalls in Lagern verwendet werden, welche keine Rollkörper aufweisen, und zwar insbesondere in Lagern, in denen sich ein Teil bezüglich eines anderen Teils dreht. Außerdem müssen Anordnungen vorgesehen sein, um ein permanentes Magnetfeld zu erzeugen, sowie wenigstens einen Detektor zur Messung des magnetischen Flusses. So können auch Zapfenlager ohne Rollkörper in den Anwendungsbereich der Erfindung fallen
  • Das in Fig. 8 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen drehbaren Innenring und einen feststehenden Außenring auf.
  • Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß der Detektor auf einen feststehenden Innenring angeordnet ist und die magnetisierte Struktur auf einem drehbaren Außenring. Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, daß ein Bauteil feststeht und ein Bauteil sich dreht, können auch beide Bauteile als Drehteile ausgeführt sein mit Angabe der Drehrichtung des einen Bauteils bezüglich des anderen Bauteils.
  • Bei allen beschriebenen Beispielen befindet sich die magnetische Struktur auf dem Drehteil, während der Detektor auf dem feststehenden Teil angeordnet ist. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß keine Zuleitung oder kein elektronischer Schaltkreis auf dem sich drehenden Bauteil vorgesehen werden muß. Ist jedoch das Vorhandensein einer derartigen Zuleitung oder eines elektronischen Schaltkreises auf dem sich drehenden Bauteil möglich, so kann die magnetische Struktur im feststehenden Bauteil integriert sein, während der Detektor am drehbaren Bauteil angeordnet ist.

Claims (4)

1. Lager mit Magnetfelddetektor mit einem ersten Teil (98), einem zweiten Teil (100), einer Anordnung zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes, einer Detektoranordnung für dieses Magnetfeld, wobei die Anordnung zur Erzeugung des Magnetfeldes aus einem ferromagnetischen Teil besteht, das wenigstens ein Paar Pole entgegengesetzter Vorzeichen aufweist, die auf dem ersten Teil (98) angeordnet sind und wobei die Detektoranordnung für das Magnetfeld aus einem Detektor (116) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß
- das erste und das zweite Teil aus ringförmigen Anschlagplatten (98, 100) bestehen, die in axialem Abstand zueinander angeordnet sind und die Rollwege (102, 104) für die Rollkörper (114) aufweisen, die zwischen den Rollwegen angeordnet sind,
- eine Vielzahl von permanent-magnetischen Segmenten (106) entlang des Umfangs über einen radialen Abschnitt (108) einer der Anschlagplatten (98) verteilt sind, wobei jedes Segment (106) einen Nordpol und einen Südpol aufweist, die jeweils zwischen zwei Polen entgegengesetzter Polarität angeordnet sind, und
- die andere Anschlagplatte (100) in einer Senkung (110) eines ringförmigen Teils (109) gehalten ist, das eine Radialnut (115) zur Aufnahme des Detektors (116) aufweist, der den magnetischen Segmenten (106) gegenüberliegt
2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollweg (102) in der radialen Verlängerung der ersten ringförmigen Anschlagplatte (98) und der Rollweg (104) in der radialen Verlängerung der zweiten ringförmigen Anschlagplatte (100) axial die Aufnahme (110) der Rollkörper (114) begrenzen.
3. Lager nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Nut (115) ausgehend vom äußeren Umfang der Halterung (109) in der Senkung (110) mündet.
4. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konzentratoranordnung (118) für den magnetischen Fluß dem Detektor (116) benachbart ist.
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