WO2015180711A1 - Resolverlager, resolverstator und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Resolverlager, resolverstator und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2015180711A1
WO2015180711A1 PCT/DE2015/200082 DE2015200082W WO2015180711A1 WO 2015180711 A1 WO2015180711 A1 WO 2015180711A1 DE 2015200082 W DE2015200082 W DE 2015200082W WO 2015180711 A1 WO2015180711 A1 WO 2015180711A1
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resolver
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bearing
resolver rotor
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PCT/DE2015/200082
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Jörg KEGELER
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G—PHYSICS
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    • H05K2201/083—Magnetic materials
    • H05K2201/086—Magnetic materials for inductive purposes, e.g. printed inductor with ferrite core

Definitions

  • the present invention relates to a resolver and a resolver stator.
  • the invention relates to a method for producing a resolver stator.
  • a resolver is generally understood to mean an electromagnetic transducer for converting the angular position of a rotor into an electrical variable.
  • Resolverlager arrangements are referred to, which comprise a rolling bearing with an integrated angle sensor.
  • WO 2014/037004 A1 shows a resolver bearing with an inner ring, a
  • Outer ring and rolling elements which are arranged in the annular space formed between the bearing rings.
  • To seal the annular space are two annular discs, which are each rotatably connected to one of the two bearing rings.
  • Annular space are arranged primary and secondary coils.
  • the annular disks are each provided with a segment of a magnetically permeable material. Due to the variable mutual overlap of the segments in the course of the rotation, the magnetic resistance of the corresponding changes
  • Each magnetic circuit has two annular disks, in each case about the axis of rotation extending toroidal coils as a primary coil and secondary coil, magnetically permeable bearing rings and another, provided between the bearing rings component (rolling elements, short-circuiting plate) made of a permeable material.
  • WO 201 1/134955 A2 shows a rolling bearing arrangement with an angle sensor and a method for mounting such a rolling bearing arrangement with a
  • the angle sensor has a sensor ring, which is non-rotatably connected to the outer ring, and a material measure, which is relative to
  • Rotary axis of the rolling bearing eccentric metal ring is formed and rotatably connected to the inner ring.
  • a metallic component has the sensor ring an annular, concentric with the axis of rotation of the bearing, U-shaped shell core.
  • a holding element made of plastic, which in a circumferential groove in
  • Outer ring is attached. Radially outside the retaining element is a
  • Support ring made of sheet metal, which abuts on the front side of the outer ring and as
  • Mounting aid serves as well as a mechanical protection of the angle sensor represents.
  • annular space for receiving the sensor ring is formed between the inner circumferential surface of the support ring and the holding element.
  • the sensor ring has a transmitting coil which lies in a plane parallel to the end face of the rolling bearing and is arranged completely within the U-profile of the shell core.
  • the transmitting coil is designed as a printed circuit on a multilayer printed circuit board. With the transmitter coil act different receiving coils together.
  • Reception coils is partially disposed within the U-profile of the shell core and partially outside this U-profile.
  • the receiver coils are analogous to
  • Transmitting coil designed as a printed circuit Between transmission coil and
  • Reception coil is a signal transferable via a magnetic circuit, wherein the transmitting coil is disposed within the U-shaped shell core, which forms part of the magnetic circuit. About the material measure is given a variable reluctance in the magnetic circuit.
  • the metal ring which acts as a measuring standard, closes the magnetic circuit between the legs of the U-shaped one
  • the object of the present invention is to provide a resolver for
  • the resolver bearing according to the invention comprises a bearing inner ring, a
  • Bearing outer ring arranged between the bearing rings rolling elements and a for detecting the relative angular position of the bearing rings serving each other
  • the angle sensor comprises an annular resolver connected to one of the two bearing rings with at least one transmitting coil and at least one receiving coil, which are designed as printed circuits on a multilayer board, wherein the transmitting coil is at least partially disposed within a U-shaped shell core and the receiving coil partially within and partially disposed outside the shell core.
  • Another component of the resolver stator is one with the other of the two
  • Bearing rings rotatably connected resolver rotor which comprises magnetically conductive components, wherein the resolver rotor is designed as a ring such that the difference between the inner and outer diameter of the ring over the circumference is different.
  • the resolver rotor is at least partially disposed within the U-shaped shell core.
  • the axis of rotation of the resolver rotor passes through the center of the resolver stator.
  • a signal can thus be transmitted via a magnetic circuit between the transmitting coil and the receiving coil.
  • the resolver rotor provides a position-dependent variable reluctance in the magnetic circuit, the change of which can be evaluated.
  • the shell core is formed by magnetically conductive structures, which are formed integrally with the multilayer board.
  • An essential advantage of the invention Resolverlagers is that by realization of the shell core in the form of magnetically conductive structures of the shell core is part of the already used for the realization of the coil multilayer board.
  • the combination of a conventional multi-layer board with magnetically conductive structures in a board allows the production of the resolver completely within a conventional electrical board production.
  • recourse can be had to well-known and long-proven technologies for the production of electrical circuit boards, resulting in highly efficient production is possible.
  • the air gaps between the resolver stator and the resolver rotor can be produced very precisely by a milling process in board-use.
  • Another advantage is the fact that components can be saved by the inventive production of the shell core, whereby material can be saved and the processing and
  • the magnetically conductive layer is preferably laminated on the multilayer board.
  • the magnetically conductive layers are preferably connected to one another via recesses introduced into the circuit board which are filled with a magnetically conductive material.
  • the magnetically conductive material may be, for example, a paste-like material containing ferromagnetic powder such as iron powder or ferrite powder of various alloys. Pasty materials can be handled well and can be inserted into the recesses with little effort.
  • the bearing rings facing the magnetically conductive layer has a recess for receiving the resolver rotor.
  • the interconnected magnetically conductive layers form the shell core.
  • the magnetically conductive structures consist of a plurality of spaced-apart angle segments. As appropriate, the subdivision has been found in four equal angle segments. Of course, versions with more than four angle segments are also possible.
  • Angular segments and their spaced installation have the great advantage that the magnetic resistance within an angular segment is substantially less than the resistance in the transition between adjacent angle segments. In this way, the following radial magnetic flux is achieved: radially inner
  • the magnetic resistance in this magnetic circuit is in this case a series connection of the resistances of the two air gaps and the shell core legs. At a constant distance of the shell core legs, the magnetic resistance is independent of shifts of the axis of rotation of the resolver rotor to the position of the center point of the resolver stator, since the sum of the resistances of the air gaps remains constant when the inner and the outer
  • Shell core legs have the same length in the circumferential direction.
  • the magnetically conductive components of the resolver rotor may consist of a plurality of spaced-apart angle segments. Due to the segmented structure of the magnetically conductive components of the resolver rotor, the same effect is achieved as in the segmented structure of the magnetically conductive structures of the resolver stator. It is sufficient either the magnetically conductive structures of the resolver or the magnetically conductive
  • the resolver is on a
  • the retaining element attached to the bearing ring.
  • the retaining element may preferably
  • the resolver stator is mounted on the bearing outer ring and the resolver rotor on the bearing inner ring.
  • the transmitting and receiving coil is connected to a control and evaluation unit, which serves for the evaluation of the signal supplied by the angle sensor.
  • the control and evaluation unit is preferably arranged outside the angle sensor.
  • the resolver is particularly suitable for higher operating temperatures.
  • a resolver stator according to claim 9 is also used.
  • the resolver comprises at least one transmitting coil and at least one receiving coil, which are designed as printed circuits on a multilayer board, wherein the transmitting coil is at least partially disposed within a U-shaped shell core and the receiving coil is partially disposed within and partially outside the shell core.
  • the shell core is formed by magnetically conductive structures, which are integrated into the multilayer board.
  • a magnetically conductive layer is preferably attached to the outer layers of the multilayer board, which are connected to each other via recesses introduced into the board and filled with a magnetically conductive material, and wherein one of the magnetically conductive layers has a recess for receiving a resolver rotor.
  • the method according to the invention comprises the following steps: First, a multilayer printed circuit board with at least one transmission coil designed as a printed circuit and at least one printed circuit as a printed circuit
  • a magnetically conductive layer is subsequently attached in a suitable manner.
  • the magnetically conductive layers are preferably
  • Recesses are subsequently introduced into the board.
  • magnetically conductive material is subsequently introduced, whereby the magnetically conductive layers are magnetically connected.
  • a recess for receiving a resolver stator is introduced into one of the two magnetically conductive layers.
  • Fig. 1 is a sectional view of a resolver bearing according to the invention
  • FIG. 2 is a sectional view of a resolver stator according to the invention
  • Fig. 3 is a sectional view of an angle sensor in a first
  • Fig. 4 is a sectional view of the angle sensor in a second
  • the resolver 01 includes a bearing inner ring 02, a bearing outer ring 03 and rolling elements (not shown) which between bearing inner ring 02 and Bearing outer ring 03 are arranged.
  • the resolver 01 also has an angle sensor 04 which serves to detect the angular position of the bearing rings 02, 03 relative to each other.
  • the angle sensor 04 comprises a ring-shaped resolver 06 connected to the bearing outer ring 03 via a holding element 05.
  • the resolver 06 includes a multilayer board 07.
  • the multilayer board 07 consists of several superimposed electrically conductive
  • At least one transmitting coil and at least one receiving coil are realized on the electrically conductive layers.
  • Embodiments with four receiving coils are preferred.
  • the multilayer board 07 is provided on its two outer layers, each with a magnetically conductive layer 08, 09.
  • the two magnetically conductive layers 08, 09 are connected to one another via magnetic plated-through holes 10, 12.
  • Through holes 10, 12 are made by recesses are introduced into the provided with the magnetic layers 08, 09 board 07 recesses, which are filled with magnetically conductive material.
  • the interconnected magnetically conductive layers 08, 09 form a shell core 13, which is U-shaped in cross-section.
  • the bearing rings 02, 03 facing the magnetically conductive layer 08 has a recess 14 for receiving a resolver rotor 15.
  • the resolver rotor 15 is formed as a ring such that the difference between inner and
  • Outer diameter of the ring is different over the circumference, wherein
  • the resolver rotor 15 comprises magnetically conductive components. It is attached to the bearing inner ring 02, preferably via a press connection. The resolver rotor 15 is arranged such that its axis of rotation through the
  • the transmitting coil is arranged in the embodiment shown completely within the U-shaped shell core 13, while the receiving coil partially outside and partially within the U-shaped shell. shaped shell core 13 is located. In alternative embodiments, the transmitting coil may also be arranged only partially within the U-shaped shell core 13.
  • the transmitting coil and the receiving coil are preferably connected to a control and evaluation unit (not shown) in order to evaluate the determined signals accordingly.
  • FIG. 2 shows a sectional view of a resolver 06 according to the invention. Shown is an embodiment in which the magnetically conductive
  • the shell-core 13 forming magnetic conductive layers and the magnetic vias consist of four equal-sized angle segments. The individual angle segments are spaced from each other.
  • FIG. 3 shows an angle sensor 04 with non-segmented magnetically conductive structures.
  • an unwanted tangential magnetic flux 17 is produced by the stator and rotor, as a result of which the measuring signals of the angle sensor 04 are dependent on the position of the axis of rotation of the resolver rotor 15 of the center of the resolver 06.
  • the measurement signals supplied by the angle sensor 04 are distorted and thus inaccurate.
  • FIG. 4 shows an angle sensor 04 with segmented magnetically conductive
  • the magnetic resistance within a segment is much lower than the resistance at the transition between adjacent ones Segments.
  • a radial magnetic flux 20 will be produced with the course: radially inner shell core limb 18 - first air gap 22 - resolver rotor 06 - second air gap 23 - radially outer shell core limb 19.
  • the magnetic resistance in this magnetic circuit is substantially one in this case
  • Resolverstators 06 since the sum of the resistances of the air gaps 22, 23 remains constant when the inner and outer shell core legs have the same length in the circumferential direction.
  • the separation into segments reduces the distortion of the measurement signal from the sinusoidal shape and thereby reduces the errors of the sine wave

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Resolverlager (01) mit einem zur Detektion der Winkelstellung der Lagerringe (02, 03) dienenden Winkelsensor (04). Der Winkelsensor (04) umfasst einen mit einem von zwei Lagerringen (02, 03) verbundenen ringförmigen Resolverstator (06) mit mindestens einer Sendespule und mindestens einer Empfangsspule, welche als gedruckte Schaltungen auf einer mehrschichtigen Platine (07) ausgeführt sind, wobei die Sendespule zumindest teilweise innerhalb eines U-förmigen Schalenkerns (13) angeordnet ist und die Empfangsspule teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Schalenkerns (13) angeordnet ist. Weiterhin besitzt der Winkelsensor (04) einen mit dem anderen der beiden Lagerringe (02, 03) drehfest verbundenen Resolverrotor (15) umfassend magnetisch leitfähige Komponenten, wobei der Resolverrotor (15) zumindest teilweise innerhalb des U-förmigen Schalenkerns (13) angeordnet ist. Ein Signal ist über einen magnetischen Kreis zwischen der Sendespule und der Empfangsspule übertragbar. Durch den Resolverrotor (15) ist eine winkelstellungsabhängige variable Reluktanz im magnetischen Kreis gegeben. Das erfindungsgemäße Resolverlager (01) zeichnet sich dadurch aus, dass der Schalenkern (13) durch magnetisch leitfähige Strukturen gebildet ist, welche in die mehrschichtige Platine (07) integriert sind.

Description

Resolverlager, Resolverstator und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Resolverlager und einen Resolverstator.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Resolverstators.
Unter einem Resolver wird allgemein ein elektromagnetischer Messumformer verstanden, zur Wandlung der Winkellage eines Rotors in eine elektrische Größe. Als Resolverlager werden Anordnungen bezeichnet, welche ein Wälzlager mit einem integrierten Winkelsensor umfassen.
Die WO 2014/037004 A1 zeigt ein Resolverlager mit einem Innenring, einem
Außenring und Wälzkörpern, die im zwischen den Lagerringen gebildeten Ringraum angeordnet sind. Zur Abdichtung des Ringraumes dienen zwei Kreisringscheiben, welche jeweils mit einem der beiden Lagerringe drehfest verbunden sind. Im
Ringraum sind Primär- und Sekundärspulen angeordnet. Zur Modulation eines von der Primärspule im Lager erzeugten magnetischen Flusses sind die Kreisringscheiben jeweils mit einem Segment aus einem magnetisch permeablen Werkstoff ausgestattet. Durch die veränderliche gegenseitige Überdeckung der Segmente im Verlauf der Drehung ändert sich der magnetische Widerstand des entsprechenden
Magnetkreises. Jeder Magnetkreis weist zwei Kreisringscheiben, jeweils um die Rotationsachse verlaufende Ringspulen als Primärspule und Sekundärspule, magnetisch permeable Lagerringe und ein weiteres, zwischen den Lagerringen vorgesehenes Bauteil (Wälzkörper, Kurzschlussblech) aus einem permeablen Material auf.
Die WO 201 1/134955 A2 zeigt eine Wälzlageranordnung mit einem Winkelsensor sowie ein Verfahren zur Montage einer solchen Wälzlageranordnung mit einem
Winkelsensor. Der Winkelsensor weist einen Sensorring auf, der drehfest mit dem Außenring verbunden ist, sowie eine Maßverkörperung, die als relativ zur
Rotationsachse des Wälzlagers exzentrischer Metallring ausgebildet ist und drehfest mit dem Innenring verbunden ist. Als metallische Komponente besitzt der Sensorring einen ringförmigen, zur Rotationsachse des Wälzlagers konzentrischen, U-förmigen Schalenkern. Zur Halterung des Schalenkerns sowie des Sensorrings am Außenring dient ein Halteelement aus Kunststoff, welches in einer umlaufenden Nut im
Außenring befestigt ist. Radial außerhalb des Halteelements befindet sich ein
Stützring aus Blech, der an der Stirnseite des Außenrings anschlägt und als
Montagehilfsmittel dient sowie einen mechanischen Schutz des Winkelsensors darstellt. Zwischen der inneren Mantelfläche des Stützrings und dem Halteelement ist ein Ringraum zur Aufnahme des Sensorrings ausgebildet. Der Sensorring weist eine Sendespule auf, die in einer zur Stirnseite des Wälzlagers parallelen Ebene liegt und vollständig innerhalb des U-Profils des Schalenkerns angeordnet ist. Die Sendespule ist als gedruckte Schaltung auf einer Multilayer-Leiterplatte ausgebildet. Mit der Sendespule wirken verschiedene Empfangsspulen zusammen. Jede der
Empfangsspulen ist teilweise innerhalb des U-Profils des Schalenkerns und teilweise außerhalb dieses U-Profils angeordnet. Die Empfangsspulen sind analog der
Sendespule als gedruckte Schaltung ausgeführt. Zwischen Sendespule und
Empfangsspule ist ein Signal über einen magnetischen Kreis übertragbar, wobei die Sendespule innerhalb des U-förmigen Schalenkerns angeordnet ist, der einen Teil des magnetischen Kreises bildet. Über die Maßverkörperung ist eine variable Reluktanz im magnetischen Kreis gegeben. Der als Maßverkörperung fungierende Metallring schließt den magnetischen Kreis zwischen den Schenkeln des U-förmigen
Schalenkerns. Der beschriebene Winkelsensor besteht aus vielen einzelnen
Komponenten, was eine aufwendige Fertigung (Einhaltung von Fertigungstoleranzen) als auch eine aufwendige Montage mit sich bringt. Weiterhin wird als nachteilig erachtet, dass ein derart am Wälzlager integrierter Winkelsensor die Baubreite des Wälzlagers in Richtung der Rotationsachse erheblich verbreitert, so dass mehr Bauraum benötigt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Resolverlager zur
Verfügung zu stellen, welches einen einfachen Aufbau aufweist, aufwandsarm zu fertigen ist, einen geringen Bauraum benötigt und nicht zuletzt auch eine präzisere Winkelmessung ermöglicht. Des Weiteren sollen auch ein Resolverstator und ein Verfahren zu dessen Fertigung zur Verfügung gestellt werden. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Resolverlager gemäß dem beigefügten Anspruch 1 .
Das erfindungsgemäße Resolverlager umfasst einen Lagerinnenring, einen
Lageraußenring, zwischen den Lagerringen angeordnete Wälzkörper sowie einen zur Detektion der relativen Winkelstellung der Lagerringe zueinander dienenden
Winkelsensor. Der Winkelsensor umfasst einen mit einem der beiden Lagerringe verbundenen ringförmigen Resolverstator mit mindestens einer Sendespule und mindestens einer Empfangsspule, welche als gedruckte Schaltungen auf einer mehrschichtigen Platine ausgeführt sind, wobei die Sendespule zumindest teilweise innerhalb eines U-förmigen Schalenkerns angeordnet ist und die Empfangsspule teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Schalenkerns angeordnet ist. Ein weiterer Bestandteil des Resolverstators ist ein mit dem anderen der beiden
Lagerringe drehfest verbundener Resolverrotor, welcher magnetisch leitfähige Komponenten umfasst, wobei der Resolverrotor als Ring derart ausgebildet ist, dass die Differenz zwischen Innen- und Außendurchmesser des Rings über den Umfang unterschiedlich ist. Der Resolverrotor ist zumindest teilweise innerhalb des U-förmigen Schalenkerns angeordnet. Die Rotationsachse des Resolverrotors verläuft durch den Mittelpunkt des Resolverstators. Über einen magnetischen Kreis zwischen der Sendespule und der Empfangsspule ist damit ein Signal übertragbar. Durch den Resolverrotor ist eine winkelstellungsabhängige variable Reluktanz im magnetischen Kreis gegeben, deren Änderung ausgewertet werden kann. Erfindungswesentlich ist weiterhin, dass der Schalenkern durch magnetisch leitfähige Strukturen gebildet ist, welche einstückig mit der mehrschichtigen Platine ausgebildet sind.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Resolverlagers besteht darin, dass durch Realisierung des Schalenkerns in Form von magnetisch leitfähigen Strukturen der Schalenkern Bestandteil der bereits zur Realisierung der Spulen dienenden mehrschichtigen Platine wird. Die Kombination einer herkömmlichen mehrschichtigen Platine mit magnetisch leitfähigen Strukturen in einer Platine erlaubt die Fertigung des Resolverstators vollständig innerhalb einer üblichen elektrischen Platinenfertigung. Hierbei kann auf bekannte und seit langem erprobte Technologien zur Fertigung elektrischer Platinen zurückgegriffen werden, wodurch eine hocheffiziente Produktion möglich ist. Hierdurch wird der Produktionsaufwand gesenkt. Die Luftspalte zwischen Resolverstator und Resolverrotor können sehr genau durch einen Fräsprozess im Platinen-Nutzen hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die erfindungsgemäße Fertigung des Schalenkerns Bauteile eingespart werden können, wodurch Material eingespart werden kann sowie der Bearbeitungs- und
Montageaufwand sinkt. So entfällt der separate Schalenkern, wodurch die bislang zur Halterung des Schalenkerns erforderlichen Bauteile entfallen. Im Vergleich zu der aus der WO 201 1/134955 A2 vorbekannten Lösung reduziert sich die Bauteilanzahl von acht auf drei. Beispielsweise werden keine Stützringe mehr benötigt. Durch die verringerte Statorbreite wird es ermöglicht, Axialkräfte direkt auf die Lagerschalen einzuleiten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist an den Außenschichten der
mehrschichtigen Platine jeweils eine magnetisch leitende Schicht befestigt. Die magnetisch leitende Schicht ist vorzugsweise auf der mehrschichtigen Platine auflaminiert. Die magnetisch leitenden Schichten sind bevorzugt über in die Platine eingebrachte Ausnehmungen, welche mit einem magnetisch leitenden Material gefüllt sind, miteinander verbunden. Das magnetisch leitende Material kann beispielsweise ein pastenförmiges Material sein, welches Ferromagnetpulver, wie beispielsweise Eisenpulver oder Ferritpulver verschiedener Legierungen enthält. Pastenförmige Materialien lassen sich gut handhaben und aufwandsarm in die Ausnehmungen einbringen. Die den Lagerringen zugewandte magnetisch leitende Schicht weist eine Aussparung zur Aufnahme des Resolverrotors auf. Die miteinander verbundenen magnetisch leitenden Schichten bilden den Schalenkern.
Hinsichtlich des Aufbaus und der Herstellung einer geeigneten mehrschichtigen Platine mit magnetisch leitenden Schichten wird auf die Patentanmeldung der
Anmelderin vom selben Tag mit dem Titel„Magnetische Platine und Verfahren zu deren Herstellung" verwiesen. Der Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung wird insoweit hier einbezogen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die magnetisch leitfähigen Strukturen aus mehreren voneinander beabstandeten Winkelsegmenten bestehen. Als zweckmäßig hat sich hierbei die Unterteilung in vier gleich große Winkelsegmente erwiesen. Es sind natürlich ebenso Ausführungen mit mehr als vier Winkelsegmenten möglich. Der Aufbau der magnetisch leitfähigen Strukturen aus mehreren
Winkelsegmenten und deren beabstandeter Einbau haben den großen Vorteil, dass der magnetische Widerstand innerhalb eines Winkelsegments wesentlich geringer als der Widerstand beim Übergang zwischen benachbarten Winkelsegmenten ist. Auf diese Weise wird folgender radialer Magnetfluss erreicht: radial innerer
Schalenkernschenkel - Luftspalt - Resolverrotor - Luftspalt - radial äußerer
Schalenkernschenkel. Der magnetische Widerstand in diesem Magnetkreis ist in diesem Fall eine Reihenschaltung der Widerstände der beiden Luftspalte und der Schalenkernschenkel. Bei konstantem Abstand der Schalenkernschenkel ist der magnetische Widerstand unabhängig von Verschiebungen der Rotationsachse des Resolverrotors zur Position des Mittelpunkts des Resolverstators, da die Summe der Widerstände der Luftspalte konstant bleibt, wenn die inneren und die äußeren
Schalenkernschenkel die gleiche Länge in Umfangsrichtung aufweisen.
Alternativ können auch die magnetisch leitfähigen Komponenten des Resolverrotors aus mehreren voneinander beabstandeten Winkelsegmenten bestehen. Durch den segmentierten Aufbau der magnetisch leitfähigen Komponenten des Resolverrotors wird die gleiche Wirkung, wie beim segmentierten Aufbau der magnetisch leitfähigen Strukturen des Resolverstators erreicht. Es ist ausreichend entweder die magnetisch leitfähigen Strukturen des Resolverstators oder die magnetisch leitfähigen
Komponenten des Resolverrotors aus mehreren voneinander beabstandeten
Winkelsegmenten auszuführen, da hierdurch der magnetische Kreis aufgetrennt wird. Bei nicht segmentiertem Aufbau würde ein unerwünschter tangentialer Magnetfluss - im schlechtesten Fall von Quadrant zu Quadrant - entstehen. Dadurch würden die Messsignale abhängig von der Lage der Rotationsachse des Resolverrotors zur Position des Mittelpunkts des Resolverstators sein, wodurch eine exakte Justierung des Rotors und des Stators notwendig wird. Die Trennung in Winkelsegmente verringert somit die Verzerrungen des Messsignals von der Sinusform und verringert dadurch die Fehler der Winkelmessung. Die magnetische Trennung löst das bisher in Anordnungen nach dem Stand der Technik bestehende Genauigkeitsproblem. Die durch die vorliegende Erfindung erreichte erhöhte Fehlertoleranz gegenüber der Justageungenauigkeit basiert somit auf der beschriebenen Änderung des Magnetkreises. Einer Verschärfung der Toleranzen in Fertigung und Montage ist dafür nicht notwendig. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Resolverstator über ein
Halteelement am Lagerring befestigt. Das Halteelement kann vorzugsweise
aufwandsarm als Spritzgussteil gefertigt sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Resolverstator am Lageraußenring und der Resolverrotor am Lagerinnenring befestigt.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Sende- und Empfangsspule mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit in Verbindung steht, welche zur Auswertung des vom Winkelsensor gelieferten Signals dient. Die Ansteuer- und Auswerteeinheit ist vorzugsweise außerhalb des Winkelsensors angeordnet. Durch die räumliche
Trennung zwischen dem Winkelsensor und der Ansteuer- und Auswerteeinheit eignet sich das Resolverlager insbesondere auch für höhere Betriebstemperaturen.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient auch ein Resolverstator gemäß Anspruch 9.
Der erfindungsgemäße Resolverstator umfasst mindestens eine Sendespule und mindestens eine Empfangsspule, welche als gedruckte Schaltungen auf einer mehrschichtigen Platine ausgeführt sind, wobei die Sendespule zumindest teilweise innerhalb eines U-förmigen Schalenkerns angeordnet ist und die Empfangsspule teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Schalenkerns angeordnet ist. Der Schalenkern wird durch magnetisch leitfähige Strukturen gebildet, welche in die mehrschichtige Platine integriert sind. Vorzugsweise ist hierzu an den Außenschichten der mehrschichtigen Platine jeweils eine magnetisch leitende Schicht befestigt, welche über in die Platine eingebrachte und mit einem magnetisch leitenden Material gefüllte Ausnehmungen miteinander verbunden sind, und wobei eine der magnetisch leitenden Schichten eine Aussparung zur Aufnahme eines Resolverrotors aufweist. Durch die erfindungsgemäß vorgenommene Kombination einer elektrischen Platine mit magnetisch leitfähigen Strukturen kann ein Resolverstator realisiert werden, welcher sich insbesondere durch eine kompakte, platzsparende Bauweise
auszeichnet, wodurch nicht zuletzt auch Kosten eingespart werden können.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient schließlich auch ein Verfahren zur Fertigung eines Resolverstators gemäß Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: Zunächst wird eine mehrschichtige Platine mit mindestens einer als gedruckte Schaltung ausgeführten Sendespule und mindestens einer als gedruckte Schaltung ausgeführten
Empfangsspule hergestellt. An den Außenschichten dieser mehrschichtigen Platine wird anschließend jeweils eine magnetisch leitende Schicht auf geeignete Art und Weise befestigt. Die magnetisch leitenden Schichten werden vorzugsweise
auflaminiert. In die Platine werden im Anschluss daran Ausnehmungen eingebracht. In die Ausnehmungen wird nachfolgend magnetisch leitendes Material eingebracht, wodurch die magnetisch leitenden Schichten magnetisch leitend verbunden werden. Abschließend wird eine zur Aufnahme eines Resolverstators dienende Aussparung in eine der beiden magnetisch leitenden Schichten eingebracht.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Resolverlagers;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Resolverstators;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Winkelsensors in einer ersten
Ausführungsform;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Winkelsensors in einer zweiten
Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Resolverlagers 01 . Das Resolverlager 01 umfasst einen Lagerinnenring 02, einen Lageraußenring 03 sowie Wälzkörper (nicht dargestellt) welche zwischen Lagerinnenring 02 und Lageraußenring 03 angeordnet sind. Das Resolverlager 01 besitzt des Weiteren einen Winkelsensor 04, welcher zur Detektion der Winkelstellung der Lagerringe 02, 03 relativ zueinander dient. Der Winkelsensor 04 umfasst einen mit dem Lageraußenring 03 über ein Halteelement 05 verbundenen ringförmigen Resolverstator 06.
Der Resolverstator 06 beinhaltet eine mehrschichtige Platine 07. Die mehrschichtige Platine 07 besteht aus mehreren übereinanderliegenden elektrisch leitenden
Schichten und dielektrischen Schichten, welche zwischen angrenzenden elektrisch leitenden Schichten angeordnet sind. Auf den elektrisch leitenden Schichten ist mindestens eine Sendespule und mindestens eine Empfangsspule (nicht dargestellt) in Form gedruckter Schaltungen realisiert. Bevorzugt sind Ausführungsformen mit vier Empfangsspulen. Alternativ können beispielsweise auch acht oder zwölf
Empfangsspulen zum Einsatz kommen. Die mehrschichtige Platine 07 ist auf ihren beiden Außenschichten mit jeweils einer magnetisch leitfähigen Schicht 08, 09 versehen. Die beiden magnetisch leitfähigen Schichten 08, 09 sind über magnetische Durchkontaktierungen 10, 12 miteinander verbunden. Die magnetischen
Durchkontaktierungen 10, 12 werden hergestellt, indem in die mit den magnetischen Schichten 08, 09 versehene Platine 07 Ausnehmungen eingebracht werden, welche mit magnetisch leitfähigem Material verfüllt werden. Die miteinander verbundenen magnetisch leitfähigen Schichten 08, 09 bilden einen im Querschnitt U-förmigen Schalenkern 13.
Die den Lagerringen 02, 03 zugewandte magnetisch leitende Schicht 08 weist eine Aussparung 14 zur Aufnahme eines Resolverrotors 15 auf. Der Resolverrotor 15 ist als Ring derart ausgebildet, dass die Differenz zwischen Innen- und
Außendurchmesser des Rings über den Umfang unterschiedlich ist, wobei
vorzugsweise ein kreisförmiger Innenumfang und ein exzentrischer Außenumfang vorliegen. Der Resolverrotor 15 umfasst magnetisch leitfähige Komponenten. Er ist am Lagerinnenring 02 befestigt, vorzugsweise über eine Pressverbindung. Der Resolverrotor 15 ist derart angeordnet, dass seine Rotationsachse durch den
Mittelpunkt des Resolverstators 06 verläuft. Die Sendespule ist bei der gezeigten Ausführungsform vollständig innerhalb des U-förmigen Schalenkerns 13 angeordnet, während sich die Empfangsspule teilweise außerhalb und teilweise innerhalb des U- förmigen Schalenkerns 13 befindet. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Sendespule auch nur teilweise innerhalb des U-förmigen Schalenkerns 13 angeordnet sein. Mittels eines über den U-förmigen Schalenkern 13 und den Resolverrotor 15 verlaufenden magnetischen Kreises ist ein Signal zwischen der Sendespule und der Empfangsspule übertragbar. Durch den Resolverrotor 15 ist eine
winkelstellungsabhängige variable Reluktanz im magnetischen Kreis gegeben. Die Sendespule und die Empfangsspule stehen vorzugsweise mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit (nicht dargestellt) in Verbindung, um die ermittelten Signale entsprechend auszuwerten.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Resolverstators 06. Dargestellt ist eine Ausführungsform bei welcher die magnetisch leitfähigen
Strukturen, d. h. die den Schalenkern 13 bildenden magnetisch leitfähigen Schichten und die magnetischen Durchkontaktierungen aus vier gleich großen Winkelsegmenten bestehen. Die einzelnen Winkelsegmente sind von einander beabstandet. Die Vorteile dieser Ausführungsform mit segmentierten magnetisch leitfähigen Strukturen im Vergleich zu Ausführungsformen mit nicht segmentierten magnetisch leitfähigen Strukturen sollen nachfolgend anhand der Fig. 3 und 4 erläutert werden.
Fig. 3 zeigt einen Winkelsensor 04 mit nicht segmentierten magnetisch leitfähigen Strukturen.. Im Fall nicht segmentierter magnetisch leitfähiger Strukturen entsteht ein unerwünschter tangentialer Magnetfluss 17 durch Stator und Rotor, wodurch die Messsignale des Winkelsensors 04 abhängig von der Lage der Rotationsachse des Resolverrotors 15 zur Position des Mittelpunkts des Resolverstators 06 werden. Die vom Winkelsensor 04 gelieferten Messsignale werden verzerrt und somit ungenau.
Fig. 4 zeigt einen Winkelsensor 04 mit segmentierten magnetisch leitfähigen
Strukturen. Hier entsteht aufgrund der in Umfangsrichtung verkürzten Segmente nur ein vergleichsweise geringer tangentialer Magnetfluss 17. Durch die
Segmentaufteilung ist der magnetische Widerstand innerhalb eines Segments wesentlich geringer als der Widerstand beim Übergang zwischen benachbarten Segmenten. Hierdurch wird vor allem ein radialer Magnetfluss 20 entstehen mit dem Verlauf: radial innerer Schalenkernschenkel 18 - erster Luftspalt 22 - Resolverrotor 06 - zweiter Luftspalt 23 - radial äußerer Schalenkernschenkel 19. Der magnetische Widerstand in diesem Magnetkreis ist in diesem Fall im Wesentlichen eine
Reihenschaltung der Widerstände der beiden Luftspalte 22, 23 und der
Schalenkernschenkel 18, 19. Bei konstantem Abstand der Schalenkernschenkel 18, 19 ist der magnetische Widerstand unabhängig von Verschiebungen der
Rotationsachse des Resolverrotors 15 zur Position des Mittelpunkts des
Resolverstators 06, da die Summe der Widerstände der Luftspalte 22, 23 konstant bleibt, wenn die inneren und die äußeren Schalenkernschenkel die gleiche Länge in Umfangsrichtung aufweisen. Die Trennung in Segmente verringert die Verzerrungen des Messsignals von der Sinusform und verringert dadurch die Fehler der
Winkelmessung.
Bezuqszeichenliste Resolverlager
Lagerinnenring
Lageraußenring
Winkelsensor
Halteelement
Resolverstator
Platine
magnetisch leitende Schicht
magnetisch leitende Schicht
magnetische Durchkontaktierung magnetische Durchkontaktierung
Schalenkern
Aussparung
Resolverrotor tangentialer Magnetfluss
radial innerer Schalenkernschenkel radial äußerer Schalenkernschenkel radialer Magnetfluss erster Luftspalt
zweiter Luftspalt

Claims

Patentansprüche
1 . Resolverlager (01 ) mit einem Lagerinnenring (02), einem Lageraußenhng (03), zwischen den Lagerringen (02, 03) angeordneten Wälzkörpern sowie einem zur Detektion der relativen Winkelstellung der Lagerringe (02, 03) zueinander dienenden Winkelsensor (04). welcher umfasst:
• einen mit einem der beiden Lagerringe (02, 03) verbundenen ringförmigen Resolverstator (06) mit mindestens einer Sendespule und mindestens einer Empfangsspule, welche als gedruckte Schaltungen auf einer
mehrschichtigen Platine (07) ausgeführt sind, wobei die Sendespule zumindest teilweise innerhalb eines U-förmigen Schalenkerns (13) angeordnet ist und die Empfangsspule teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Schalenkerns (13) angeordnet ist,
• einen mit dem anderen der beiden Lagerringe (02, 03) drehfest verbundenen Resolverrotor (15), welcher magnetisch leitfähige Komponenten umfasst, wobei der Resolverrotor (15) als Ring derart ausgebildet ist, dass die Differenz zwischen Innen- und Außendurchmesser des Rings über den Umfang unterschiedlich ist, wobei der Resolverrotor (15) zumindest teilweise innerhalb des U-förmigen Schalenkerns (13) angeordnet ist, wobei die Rotationsachse des Resolverrotors (15) durch den Mittelpunkt (19) des Resolverstators (06) verläuft,
wobei ein Signal über einen magnetischen Kreis zwischen der Sendespule und der Empfangsspule übertragbar ist und durch den Resolverrotor (15) eine winkelstellungsabhängige variable Reluktanz im magnetischen Kreis gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalenkern (13) des Winkelsensors (04) durch magnetisch leitfähige Strukturen gebildet ist, welche in die mehrschichtige Platine (07) integriert sind.
2. Resolverlager (01 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an den Außenschichten der mehrschichtigen Platine (07) jeweils eine magnetisch leitende Schicht (08, 09) angebracht ist, dass die magnetisch leitenden
Schichten (08, 09) über in die Platine (07) eingebrachte und mit magnetisch leitendem Material gefüllte Ausnehmungen (10, 12) miteinander verbunden sind, und dass die den Lagerringen (02, 03) zugewandte magnetisch leitende Schicht (08) eine Aussparung (14) zur Aufnahme des Resolverrotors (15) aufweist.
3. Resolverlager (01 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch leitfähigen Strukturen aus mehreren voneinander beabstandeten Winkelsegmenten bestehen.
4. Resolverlager (01 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
magnetisch leitfähigen Strukturen aus vier gleich großen Segmenten besteht.
5. Resolverlager (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch leitfähigen Komponenten des Resolverrotors (15) aus mehreren voneinander beabstandeten Winkelsegmenten besteht.
6. Resolverlager (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Resolverstator (06) über ein Halteelement (05) am Lagerring (02, 03) befestigt ist.
7. Resolverlager (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Resolverstator (06) am Lageraußenring (03) und der Resolverrotor (15) am Lagerinnenring (02) befestigt ist.
8. Resolverlager (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsspule mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit in Verbindung steht.
9. Resolverstator (06) umfassend mindestens eine Sendespule und mindestens eine Empfangsspule, welche als gedruckte Schaltungen auf einer
mehrschichtigen Platine (07) ausgeführt sind, wobei die Sendespule zumindest teilweise innerhalb eines U-förmigen Schalenkerns (13) angeordnet ist und die Empfangsspule teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Schalenkerns (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalenkern (13) durch magnetisch leitfähige Strukturen gebildet ist, welche in die mehrschichtige Platine (07) integriert sind, wobei an den Außenschichten der mehrschichtigen Platine (07) jeweils eine magnetisch leitende Schicht (08, 09) befestigt ist, wobei die magnetisch leitenden Schichten (08, 09) über in die Platine (07) eingebrachte und mit magnetisch leitendem Material gefüllte Ausnehmungen (10, 12) miteinander verbunden sind, und wobei eine der magnetisch leitenden Schichten (08, 09) eine Aussparung (14) zur Aufnahme eines Resolverrotors (15) aufweist.
Verfahren zur Fertigung eines Resolverstators (06) gemäß Anspruch 9 mit folgenden Schritten:
• Bereitstellen einer mehrschichtigen Platine (07) mit mindestens einer als gedruckte Schaltung ausgeführter Sendespule und mindestens einer als gedruckte Schaltung ausgeführter Empfangsspule;
• Anbringen jeweils einer magnetisch leitenden Schicht (08, 09) an den
Außenschichten der mehrschichtigen Platine (07);
• Einbringen von Ausnehmungen (10, 12) in die mehrschichtige Platine (07);
• Einbringen von magnetisch leitendem Material in die Ausnehmungen (10, 12);
• Einbringen einer zur Aufnahme eines Resolverrotors (15) dienenden
Aussparung (14) in eine der beiden magnetisch leitenden Schichten (08, 09).
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