WO2016180411A1

WO2016180411A1 - Sensoranordnung mit einem winkelsensor sowie wälzlageranordnung mit sensoranordnung

Info

Publication number: WO2016180411A1
Application number: PCT/DE2016/200179
Authority: WO
Inventors: Jörg KEGELER
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2015-05-13
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2016-11-17
Also published as: CN107615074B; US20180356254A1; DE102015208837A1; US10473487B2; DE102015208837B4; CN107615074A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit einem Winkelsensor zur Messung von Verdrehungen. Der Winkelsensor ist für eine Messung über n Pole mit n ≥ 1 ausgebildet und umfasst zunächst einen eine Rotationsachse (04) zumindest teilweise umschließenden Sensorring und eine relativ zu diesem Sensorring rotierbare Maßverkörperung (14). Auf dem Sensorring sind eine Sendespule und mehrere Empfangsspulen angeordnet. Zwischen der Sendespule und den Empfangsspulen ist ein magnetischer Kreis ausgebildet, welcher die Maßverkörperung (14) und einen Schalenkern (17) mit zwei Schenkeln (18, 19) umfasst. Dabei bildet die Maßverkörperung (14) eine variable Reluktanz in dem magnetischen Kreis. Zumindest einer der beiden Schenkel (18) des Schalenkernes (17) ist segmentartig ausgebildet, sodass er Ringsegmente (38) umfasst. Die Empfangsspulen umschließen jeweils mindestens eines der Ringsegmente (38). Die Ringsegmente (38) bilden jeweils einen Kreisbogen mit einem Mittelradius (51) aus. Erfindungsgemäß sind die Ringsegmente (38) paarweise als Paare (43, 44, 46, 47) vorhanden. Die Mittelradien (51) der beiden Ringsegmente (38) der einzelnen Paare (43, 44, 46, 47) weisen zueinander einen Winkel (ß) von (60°n + i⋅360°/n) auf, und wobei i eine ganze Zahl ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Wälzlageranordnung.

Description

Sensoranordnung mit einem Winkelsensor sowie Wälzlageranordnung mit Sensoranordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit einem Winkelsensor zur Messung von Verdrehungen. Bei der Sensoranordnung handelt es sich im weiteren Sinne um einen Resolver. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Wälzlageranordnung, welche die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst. Bei der Wälzlageranordnung handelt es sich im weiteren Sinne um ein Resolverlager. Eine gattungsgemäße Sensoranordnung und eine gattungsgemäße Wälzlageranordnung sind aus der WO 201 1/134955 A2 bekannt. Die gattungsgemäße Wälzlageranordnung ist in der beigefügten Fig. 2 in einer perspektivischen Querschnittsdarstellung gezeigt. Die Wälzlageranordnung umfasst zunächst ein Wälzlager 01 , an welches axial benachbart ein Winkelsensor 02 angefügt ist. Das Wälzlager 01 umfasst einen In- nenring 03 und einen um den Innenring 03 um eine Rotationsachse 04 rotierbaren Außenring 06. Zwischen dem Innenring 03 und dem Außenring 06 befinden sich Wälzkörper 07 in Form von Kugeln. Die Wälzkörper 07 werden in einem Käfig 08 (gezeigt in Fig. 3) gehalten. Der Raum zwischen dem Außenring 06 und dem Innenring 03 ist nach außen durch eine Dichtscheibe 09 abgedichtet.

Der Winkelsensor 02 umfasst einen Sensorring 1 1 , welcher mithilfe eines Halteelementes 12 in einer im Außenring 06 ausgebildeten umlaufenden Nut 13 am Außenring 06 befestigt ist. Dabei ist der Sensorring 1 1 jedoch nicht drehfest am Außenring 06 befestigt, da das ringförmige Halteelement 12 in der umlaufenden Nut 13 um die Rota- tionsachse 04 rotieren kann. Die nicht drehfeste Ausbildung der Befestigung ist dem Umstand geschuldet, dass der Außenring 06 in dem den Außenring 06 aufnehmenden Maschinenelement (nicht gezeigt) während eines längeren Betriebes geringfügig gedreht wird. Der Sensorring 1 1 kann aufgrund der nicht drehfesten Ausbildung der Befestigung seine Winkelposition auf der Rotationsachse 04 beibehalten, sodass die Messungen mit dem Winkelsensor 02 nicht verfälscht werden.

Der Winkelsensor 02 umfasst weiterhin eine Maßverkörperung 14, welche in einer im Innenring 03 ausgebildeten umlaufenden Nut 16 drehfest mit dem Innenring 03 befes- tigt ist. Die Maßverkörperung 14 weist eine exzentrische Ringfornn auf und ist im Detail in den Fig. 6 bis 9 dargestellt. Die Maßverkörperung 14 schließt die U-förmige

Querschnittsform eines U-förmigen Schalenkernes 17, welcher im Sensorring 1 1 befestigt ist. Der ringförmige Schalenkern 17 besteht aus einem ferromagnetischen Ma- terial. Der U-förmige Querschnitt des Schalenkernes 17 bildet einen radial inneren U-Schenkel 18 und einen radial äußeren U Schenkel 19, welche gegenüber einer U-Basis 21 abgewinkelt sind.

Der Sensorring 1 1 umfasst einen inneren Stützring 22 und einen äußeren Stützring 23, wobei zwischen dem inneren Stützring 22 und dem äußeren Stützring 23 ein

Ringraum 24 ausgebildet ist, in welchem sich der Schalenkern 17 und eine Platine 26 befinden. Die Platine 26 ist im Detail in Fig. 4 gezeigt. Auf der Platine 26 sind eine Sendespule 27 (gezeigt in Fig. 4) und Empfangsspulen 28 (gezeigt in Fig. 4) ausgebildet. Die Sendespule 27 und die Empfangsspule 28 sind über ein Kabel 29 elektrisch anschließbar. Das Kabel 29 ist über eine Kabelhalterung 31 am Schalenkern 17 durch eine Aussparung 32 im äußeren Stützring 23 nach außerhalb des Ringraumes 24 geführt. Die Kabelhalterung 31 dient weiterhin dazu, den Schalenkern 17 und die Platine

26 gegenüber dem die Wälzlageranordnung aufnehmenden Maschinenelement (nicht gezeigt) drehfest zu fixieren.

Fig. 3 zeigt die in Fig. 2 gezeigte Wälzlageranordnung in einer

Querschnittsdarstellung.

Fig. 4 zeigt die in Fig. 2 gezeigte Platine 26 im Detail. Auf der Platine 26 sind die Sen- despule 27 und die Empfangsspulen 28 ausgebildet. Bei der Platine 26 handelt es sich um eine Leiterplatte, welche mehrere Schichten umfasst, wobei die Sendespule

27 und die Empfangsspule 28 als Leiterbahnen 36 ausgebildet sind. Die Platine 26 weist vier gleich verteilte und gleichartig ausgebildete Öffnungen 37 auf. Die Öffnungen 37 weisen jeweils die Form eines Kreisringsegmentes auf. Die Kreisringsegmente besitzen jeweils einen Mittelpunktwinkel von etwa 60°. Durch die Öffnungen 37 hindurch ist der äußere U-Schenkel 19 des Schalenkernes 17 geführt, sodass der Schalenkern 17 die Sendespule 27 vollständig umschließt, während er die Empfangsspulen

28 jeweils etwa nur zur Hälfte umschließt. Der an sich ringförmig ausgebildete äußere U-Schenkel 19 ist in seiner Ringform unterbrochen, sodass er durch die Öffnungen 37 hindurch ragen kann. Aufgrund der Unterbrechungen der Ringform des äußeren U-Schenkels 19 sind Ringsegmente 38 ausgebildet, welche jeweils die angenäherte Form eines Kreisbogens besitzen. Die Kreisbögen weisen jeweils einen

Mittelpunktswinkel von etwa 60° auf.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung der Maßverkörperung 14, wie sie für die in Fig. 2 gezeigte Wälzlageranordnung aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Maßverkörperung 14 ist in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse 04 dargestellt, wobei weiter- hin der radial äußere U-Schenkel 19 und der radial innere U-Schenkel 18 dargestellt sind. Die Maßverkörperung 14 führt während einer Verdrehung derselben gegenüber dem Schalenkern 17 (gezeigt in Fig. 2) zu einer variablen Reluktanz des durch den Schalenkern 17 und die Maßverkörperung 14 gebildeten magnetischen Kreises in Bezug auf einzelne der Empfangsspulen 28 (gezeigt in Fig. 4), da die Maßverkörperung 14 exzentrisch ausgebildet ist. Die Exzentrizität der Maßverkörperung 14 ist dadurch gegeben, dass sich eine Ringbreite der ringförmigen Maßverkörperung 14 umfänglich ändert, nämlich von einer minimalen Ringbreite hin zu einer maximalen Ringbreite und wieder zurück zur minimalen Ringbreite. Fig. 7 zeigt die in Fig. 2 gezeigte Maßverkörperung 14 im Detail. Im Gegensatz zu der in Fig. 6 gezeigten Maßverkörperung ist die Maßverkörperung 14 in Fig. 7 doppelexzentrisch ausgebildet, da sowohl der äußere Umfang der Maßverkörperung 14 als auch der innere Umfang der Maßverkörperung 14 exzentrisch ausgebildet sind. Hierdurch ist der Winkelsensor 02 (gezeigt in Fig. 2) unanfälliger gegenüber Verschiebun- gen der U-Schenkel 18, 19 senkrecht zur Rotationsachse 04.

Bei den in Fig. 9 und Fig. 10 gezeigten äußeren U-Schenkeln 19 ist die Ausbildung der Ringsegmente 38 (gezeigt in Fig. 4) nicht dargestellt. Die in der WO 201 1/134955 A2 gezeigte Wälzlageranordnung ermöglicht absolute Winkelmessungen zwischen 0° und 360°. Hierdurch ist sie beispielsweise zur Lagerung einer Welle eines einpoligen Elektromotors geeignet. Daher wird der in den Fig. 2 bis 4 gezeigte Winkelsensor 02 auch als einpolig charakterisiert. Aus der DE 10 2012 223 942 A1 ist eine Sensoranordnung mit einem mehrpoligen Winkelsensor bekannt, welcher für Messungen über n Pole vorgesehen ist, sodass Winkelmessungen innerhalb von Drehwinkeln der Größe 360 n ermöglicht sind. Der mehrpolige Winkelsensor ist derselben Gattung wie der in der WO 201 1/134955 A2 gezeigte Winkelsensor zuzuordnen.

Fig. 8 zeigt eine Maßverkörperung 14 des aus der DE 10 2012 223 942 A1 bekannten mehrpoligen Winkelsensors. Dabei handelt es sich um die Maßverkörperung 14 eines zweipoligen Winkelsensors. Die Maßverkörperung 14 ist exzentrisch ausgeführt, wobei eine Ringbreite der ringförmigen Maßverkörperung 14 entlang ihres Umfanges zwei Minima und zwei Maxima besitzt.

Fig. 9 zeigt die Maßverkörperung 14 einer weiteren Ausführungsform des aus der DE 10 2012 223 942 A1 bekannten mehrpoligen Winkelsensors. Die in Fig. 9 gezeigte Maßverkörperung 14 unterscheidet sich von der in Fig. 8 gezeigten Maßverkörperung darin, dass sie doppelt exzentrisch ausgebildet ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von den in der

WO 201 1/134955 A2 und in der DE 10 2012 223 942 A1 gezeigten Lösungen darin, eine Wälzlageranordnung sowie eine dafür geeignete Sensoranordnung bereitzustellen, mit denen eine Winkelmessung mit einer erhöhten Winkelgenauigkeit ermöglicht ist, bei welcher der Fehler bevorzugt weniger als 1 ° beträgt. Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Wälzlageranordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst einen Winkelsensor und dient der Vermessung von Verdrehungen und Rotationen, wobei der die Rotation bzw. die Verdrehung kennzeichnende Winkel die Messgröße darstellt. Der Winkelsensor umfasst zunächst einen eine Rotationsachse zumindest teilweise umschließenden Sensorring und eine relativ zu diesem Sensorring rotierbare Maßverkörperung. Auf dem Sensorring sind mindestens eine Sendespule und mehrere Empfangsspulen angeordnet. Zwischen der Sendespule und den Empfangsspulen ist ein magnetischer Kreis ausgebildet, über den ein Signal übertragbar ist. Die rotierbare Maßverkörperung bildet einen Teil des magnetischen Kreises. Dabei bildet die rotierbare Maßverkörperung eine variable Reluktanz in dem magnetischen Kreis bezogen auf jeweils einzelne der Empfangsspulen aus. Dies führt dazu, dass sich die Reluktanz des magnetischen Kreises für die einzelnen Empfangsspulen ändert, wenn die Maßverkörperung um die Rotationsachse rotiert. Die Veränderung der Reluktanz des magnetischen Kreises ist von dem Drehwinkel der rotierbaren Maßverkörperung abhängig.

Der magnetische Kreis ist weiterhin durch einen ringförmigen Schalenkern gebildet, welcher in einer die Rotationsachse umfassenden Ebene bevorzugt einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Der Schalenkern bildet bevorzugt eine Komponente des Sensorringes, die bevorzugt drehfest im Sensorring sitzt. Die Ringform des Schalenkernes ist bevorzugt koaxial zu der Rotationsachse angeordnet. Die Sendespule ist innerhalb des Schalenkernes angeordnet. Der Schalenkern weist zwei Schenkel auf, welche ih- rerseits ebenfalls eine Ringform besitzen. Die Maßverkörperung ist als Ring ausgebildet, weicher den magnetischen Kreis zwischen den ringförmigen Schenkeln des Schalenkernes schließt. Die ringförmigen Schenkel sind bevorzugt koaxial zur Rotationsachse ausgebildet. Die Empfangsspulen sind jeweils teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Schalenkernes angeordnet. Demzufolge befinden sich die Empfangsspulen jeweils teilweise zwischen den beiden Schenkeln des Schalenkernes. Zumindest einer der beiden ringförmigen Schenkel des Schalenkernes ist segmentartig ausgebildet, sodass er Ringsegmente umfasst. Bevorzugt ist zumindest der radial innere Schenkel segmentartig ausgebildet. Die Ringsegmente sind bevorzugt koaxial zur Rotationsachse angeordnet. Die Empfangsspulen umschließen jeweils mindestens eines der Ringsegmente des Schalenkernes, wobei nur die Ringsegmente eines der beiden ringförmigen Schenkel des Schalenkernes von den Empfangsspulen umschlossen sind. Die Ringsegmente weisen jeweils im Wesentlichen die Form eines Kreisbogens auf. Die Ringsegmente weisen diese Form insbesondere an einer zur Maßverkörperung ausgerichteten Fläche auf, die einen auszubildenden Luftspalt begrenzt. Die Ringsegmente können insbesondere jeweils die Form eines schmalen Kreisringseg- mentes aufweisen, die in Näherung als Kreisbogen angesehen werden kann. Jedenfalls bilden die Ringsegmente jeweils einen Kreisbogen aus, dessen Mittelpunkt in der Rotationsachse liegt. Die Kreisbögen sind jeweils charakterisiert durch einen

Mittelpunktswinkel, welcher die Öffnung gegenüber dem Mittelpunkt beschreibt. Die Winkellage des Kreisbogens zur Rotationsachse kann mit einem Mittelradius be- schrieben werden, welcher eine Symmetrieachse des jeweiligen Kreisbogens bildet. Der Mittelradius umfasst den Mittelpunkt des Kreisbogens in der Rotationsachse und einen mittleren Punkt auf dem Umfang des Kreisbogens.

Der Winkelsensor ist für eine Messung über n Pole ausgebildet, wobei n eine natürli- che Zahl darstellt, welche gleich 1 oder größer als 1 ist. Es kann sich somit um einen einpoligen oder um einen mehrpoligen Winkelsensor handeln. Der Winkelsensor ermöglicht absolute Winkelmessungen innerhalb von Drehwinkeln der Größe 360 n. Selbstverständlich können auch Winkel größer als 360 n gemessen werden; beispielsweise durch inkrementelle Messschritte. Bevorzugt beträgt n = 1 , sodass es sich um einen einpoligen Winkelsensor handelt und absolute Winkelmessungen innerhalb eines Drehwinkels von 360° ermöglicht sind. Alternativ bevorzugt beträgt n > 1 , sodass es sich um einen mehrpoligen Winkelsensor handelt und absolute Winkelmessungen innerhalb eines Drehwinkels von 360 n ermöglicht sind. Diese Ausführungsformen sind insbesondere für eine Messung von Drehwinkeln eines mehrpoligen elektrischen Motors geeignet, wobei der Winkelsensor und der elektrische Motor die gleiche Anzahl an Polen besitzen. In diesem Fall ist durch die Ansteuerung des Motors jederzeit bekannt, in welchem der n umfänglichen Abschnitte des Vollkreises der zu vermessende Winkel ausgebildet ist. Erfindungsgemäß sind die von den Empfangsspulen umschlossenen Ringsegmente paarweise als Paare vorhanden, wobei die Mittelradien der beiden Ringsegmente der einzelnen Paare einen Winkel von (60 n + i-3607n) zueinander aufweisen, wobei i eine ganze Zahl ist und bevorzugt i > 0 gilt. Es sind zumindest diejenigen Ringseg- mente paarweise vorhanden, die auf demjenigen der beiden ringförmigen Schenkel des Schalenkernes ausgebildet sind, dessen Ringsegmente von den Empfangsspulen umschlossen sind. Folglich weist dieser der beiden ringförmigen Schenkel mehrere Paare der Ringsegmente auf. Die Paare umfassen jeweils zwei der Ringsegmente, deren Mittel radien einen Winkel von (60 n + i-3607n) zueinander aufweisen. Die paarigen Ringsegmente können auch als zwei Anordnungen von Ringsegmenten aufge- fasst werden, wobei die beiden Anordnungen (60 n + i-3607n) zueinander versetzt sind. Jede dieser beiden Anordnungen von Ringsegmenten bildet bereits die für einen n-poligen Winkelsensor notwendigen Ringsegmente. Man kann die Ringsegmente somit als die Ringsegmente zweier n-poliger Winkelsensoren auffassen, die

(607n + i-3607n) zueinander bezogen auf die Rotationsachse versetzt sind. Der Faktor i ist bevorzugt gleich Null. Der Faktor i ist insbesondere im Falle n = 1 bevorzugt gleich Null. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung besteht darin, dass sie die Beseitigung einer Hauptkomponente des systematischen Messfehlers der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ermöglicht. Diese Hauptkomponente entsteht durch die Nichtlinearität des magnetischen Streufeldes. Diese Nichtlinearität erscheint im Messfehler typischerweise als dritte Harmonische des Messsignals.

Durch die 607n versetzte Anordnung der Ringsegmente wird eine vollständige Un- empfindlichkeit des Messsignals gegenüber dieser Fehlerkomponente erreicht, unabhängig von deren absoluter Größe.

Zur Beseitigung der oben genannten Hauptkomponente sind bei bevorzugten Ausfüh- rungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung die beiden Ringsegmente der einzelnen Paare von einer oder mehreren der Empfangsspulen umschlossen, welche dazu ausgebildet ist bzw. dazu ausgebildet sind, durch die beiden Ringsegmente des jeweiligen Paares fließende magnetische Flüsse additiv in eine induzierte elektrische Spannung zu wandeln. Es kommt somit zu einer Addition der durch die beiden Ring- segmente des jeweiligen Paares fließenden magnetische Flüsse bzw. der in den Empfangsspulen induzierten Spannungen. Bei dieser Addition der um 607n versetzten Signale hebt sich die dritte Harmonische der Fehlerkomponente auf. Bevorzugt sind die beiden Ringsegmente eines jeden der Paare der Ringsegmente von einer oder mehreren der Empfangsspulen umschlossen, welche dazu ausgebildet ist bzw. dazu ausgebildet sind, die durch die beiden Ringsegmente des jeweiligen Paares fließenden magnetischen Flüsse additiv in eine induzierte elektrische Spannung zu wandeln. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Ringsegmente der einzelnen Paare gemeinsam von einer der Empfangsspulen umschlossen. Dadurch addieren sich die durch die beiden Ringsegmente des jeweiligen Paares fließenden magnetischen Flüsse, sodass durch deren Summe eine elektrische Spannung in der die beiden Ringsegmente umschließenden Empfangsspule induziert wird. Bevorzugt sind die beiden Ringsegmente eines jeden der Paare gemeinsam von einer der Empfangsspulen umschlossen.

Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Ringsegmente der einzelnen Paare jeweils von einer der Empfangsspulen umschlossen, sodass den Paaren jeweils zwei der Empfangsspulen zugeordnet sind, wobei die beiden Empfangsspulen der einzelnen Paare elektrisch in Reihe zusammengeschaltet sind. Folglich wird durch die durch die beiden Ringsegmente des jeweiligen Paares fließenden magnetischen Flüsse jeweils eine elektrische Spannung in der jeweiligen Empfangsspule induziert, wobei sich die beiden induzierten Spannungen durch die Reihenschal- tung der beiden Empfangsspulen addieren. Bevorzugt sind die beiden Ringsegmente eines jeden der Paare jeweils von einer der Empfangsspulen umschlossen, sodass jedem der Paare jeweils zwei der Empfangsspulen zugeordnet sind, wobei die beiden Empfangsspulen eines jeden der Paare elektrisch in Reihe zusammengeschaltet sind. Die beiden Ringsegmente der einzelnen Paare sind bevorzugt gleich ausgebildet. Bevorzugt sind die beiden Ringsegmente eines jeden der Paare gleich ausgebildet.

Die Mittelpunktswinkel der Kreisbögen der beiden Ringsegmente der einzelnen Paare sind bevorzugt gleich groß. Bevorzugt sind die Mittelpunktswinkel der Kreisbögen der beiden Ringsegmente eines jeden der Paare gleich groß. Darüber hinaus sind bevorzugt die Mittelpunktswinkel der Kreisbögen der Ringsegmente gleich groß, sodass die Kreisbögen aller Ringsegmente einen gleichen Mittelpunktswinkel aufweisen. Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten der Ringsegmente ein Winkelabstand ausgebildet. Bevorzugt sind die Winkelabstände auf dem mindestens einen segmentartig ausgebildeten ringförmigen Schenkel des Schalenkernes gleich groß. Damit alle Winkelabstände gleich groß sind, kann es erforderlich sein, dass die

Mittelpunktswinkel der Kreisbögen einiger der Ringsegmente abweichend vom

Mittelpunktswinkel der Kreisbögen der übrigen Ringsegmente dimensioniert sind.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind beide der ringförmigen Schenkel des Schalenkernes segmentartig ausgebildet, wobei die Kreisbögen der Ringsegmente des einen der beiden ringförmigen Schenkel jeweils eine gleiche Winkelposition und eine gleichen Mittelpunktswinkel wie die Kreisbögen der Ringsegmente des anderen der beiden ringförmigen Schenkel aufweisen. Bei dieser Ausführungsform sind auch die Streufelder in tangentialer Richtung kompensiert.

Bevorzugt sind ausschließlich die Ringsegmente des einen der beiden ringförmigen Schenkel des Schalenkernes von den Empfangsspulen umschlossen. Besonders bevorzugt sind ausschließlich die Ringsegmente des radial inneren der beiden ringförmigen Schenkel des Schalenkernes von den Empfangsspulen umschlossen.

Die Empfangsspulen sind bezogen auf die Rotationsachse bevorzugt umlaufend entlang des segmentartig ausgebildeten ringförmigen Schenkels des Schalenkernes angeordnet. Somit weisen die Empfangsspulen jeweils den gleichen Abstand zur Rotationsachse auf. Besonders bevorzugt sind die Empfangsspulen bezogen auf die Rotati- onachse äquidistant entlang des segmentartig ausgebildeten ringförmigen Schenkels des Schalenkernes angeordnet.

Die Maßverkörperung weist senkrecht zur Rotationsachse bevorzugt einen ringförmigen Querschnitt auf, sodass sie durch einen Ring gebildet ist, welcher umlaufend ent- lang seiner Ringform n gleichlange umfängliche Abschnitte aufweist. In jedem dieser umfänglichen Abschnitte nimmt das Maß einer Ringbreite des Ringes beginnend mit einer minimalen Ringbreite bis zu einer maximalen Ringbreite zu und wieder bis zur minimalen Ringbreite ab. Hierdurch ist ein exzentrisch ausgebildeter Ring gegeben, welcher n Maxima und n Minima aufweist. Die veränderliche Ringbreite kann durch einen veränderlichen äußeren Radius des Ringes oder durch einen veränderlichen inneren Radius des Ringes bewirkt sein. Bevorzugt weist der Ring sowohl einen veränderlichen inneren Radius als auch einen veränderlichen äußeren Radius auf, um die veränderliche Ringbreite zu bewirken. Hierdurch wird eine doppelexzentrische Form erzielt.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfassen weiterhin eine Auswerteeinheit zum Bestimmen des Winkels. Die Auswerteeinheit ist mit den Empfangsspulen elektrisch verbunden, sodass Signale der Empfangsspulen von der Auswerteeinheit empfangen werden. Die Auswerteeinheit ist bevorzugt dazu konfiguriert, die den einzelnen Paaren der Ringsegmente zugeordneten Signale der Empfangsspulen redundant zu verarbeiten. Die Auswerteeinheit kann innerhalb oder außerhalb des Winkelsensors angeordnet sein.

Die erfindungsgemäße Wälzlageranordnung umfasst zunächst ein Wälzlager mit einem ersten Lagerring und einem zum ersten Lagerring rotierbaren zweiten Lagerring. Im Weiteren umfasst die Wälzlageranordnung die erfindungsgemäße Sensoranordnung, wobei der Sensorring mit dem ersten Lagerring gekoppelt ist und wobei die Maßverkörperung drehfest mit dem zweiten Lagerring verbunden ist. Die Koppelung des Sensorringes mit dem ersten Lagerring führt dazu, dass der Sensorring drehfest mit einem den ersten Lagerring aufnehmenden Maschinenelement verbindbar ist. Folglich dient die Sensoranordnung zur Messung eines Drehwinkels zwischen einem vom zweiten Lagerring aufgenommenen Maschinenelement gegenüber dem den ers- ten Lagerring aufnehmenden Maschinenelement.

Zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring sind bevorzugt Wälzkörper angeordnet. Der erste Lagerring ist bevorzugt durch einen Lageraußenring gebildet, während der zweite Lagerring bevorzugt durch einen Lagerinnenring gebildet ist. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer Querschnittsdarstellung;

Fig. 2 eine perspektivische Querschnittsdarstellung einer gattungsgemäßen Wälz lageranordnung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 die in Fig. 2 gezeigte Wälzlageranordnung in einer Querschnittsdarstellung

Fig. 4 eine in Fig. 2 gezeigte Platine in einer Detaildarstellung;

Fig. 5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer Querschnittsdarstellung;

Fig. 6 eine Maßverkörperung, wie sie für die in Fig. 2 gezeigte Wälzlageranordnung aus dem Stand der Technik bekannt ist;

Fig. 7 die in Fig. 2 gezeigte Maßverkörperung im Detail;

Fig. 8 eine Maßverkörperung für einen zweipoligen Winkelsensor gemäß dem

Stand der Technik; und

Fig. 9 eine weitere Maßverkörperung für einen zweipoligen Winkelsensor gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer Querschnittsdarstellung. In dieser Querschnittsdarstellung sind insbesondere eine Maßverkörperung 14 und ein Schalenkern 17 gezeigt. Im Übrigen gleicht diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in ihrem Aufbau dem in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Winkelsensor 02 und unterscheidet sich aber in der Ausführung der Ringsegmente 38 (vgl. Fig. 4) und der daraus resultierenden Anordnung der Empfangsspulen 28 (gezeigt in Fig. 4). Auch bildet die erfin- dungsgemäße Sensoranordnung bevorzugt eine Wälzlageranordnung gemeinsam mit dem in Fig. 2 gezeigten Wälzlager 01 aus.

Die gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst ei- nen einpoligen Winkelsensor. Somit beträgt die Anzahl der Pole n = 1 . Die rotierbare Maßverkörperung 14 weist eine Exzentrizität (nicht dargestellt) auf und ist insbesondere wie die in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Maßverkörperungen 14 ausgeführt. Der einpolige Winkelsensor dient der absoluten Messung von Winkeln im Bereich von 0° bis 360°.

Bei der gezeigten Ausführungsform sind sowohl der radial innere U-Schenkel 18 als auch der radial äußere U-Schenkel 19 des Schalenkernes 17 in die Ringsegmente 38 segmentiert, wobei erfindungsgemäß nur derjenige der beiden U-Schenkel 18, 19 segmentiert sein muss, dessen Ringsegmente 38 von den Empfangsspulen 28 (ge- zeigt in Fig. 4) umschlossen sind. Grundsätzlich sind entweder die Ringsegmente 38 des inneren U-Schenkels 18 oder die Ringsegmente 38 des äußeren U-Schenkels 19 von den Empfangsspulen 28 (gezeigt in Fig. 4) umschlossen. Bevorzugt sind der innere U-Schenkel 18 und der äußere U-Schenkel 19 des Schalenkernes 17 in gleicher Weise in die Ringsegmente 38 segmentiert.

Jeder der beiden U-Schenkel 18, 19 umfasst acht der Ringsegmente 38, die zusammen zwei Ringsegmentanordnungen 41 , 42 mit jeweils vier der Ringsegmente 38 ausbilden. Jede der beiden Ringsegmentanordnungen 41 , 42 stellt bereits für sich allein die für einen einpoligen Winkelsensor gemäß dem Stand der Technik (gezeigt in Fig. 2 bis Fig. 4) notwendige Anordnung der Ringsegmente 38 dar. Erfindungsgemäß sind zwei der Ringsegmentanordnungen 41 , 42 ausgebildet, welche um einen Rotationswinkel von ß = 60 n = 60 1 = 60° bezogen auf die Rotationsachse 04 zueinander versetzt sind. Aus diesem Grund sind die Ringsegmente 38 auf jedem der beiden U-Schenkel 18, 19 paarig vorhanden. Es sind vier Paare 43, 44, 46, 47 der Ringseg- mente 38 vorhanden. Bei jedem der Paare 43, 44, 46, 47 weisen die beiden Ringsegmente 38 des jeweiligen Paares 43, 44, 46, 47 einen Winkelversatz von

ß = 607n = 6071 = 60° zueinander bezogen auf die Rotationsachse 04 auf. Den kreis- ringsegmentförmigen Ringsegmenten 38 lässt sich jeweils ein Mittelradius 51 zuord- nen. Die Mittel radien 51 der beiden Ringsegmente 38 eines jeden der Paare 43, 44, 46, 47 weisen ebenfalls den Winkel ß = 607n = 60 1 = 60° zueinander auf.

Sämtliche der Ringsegmente 38 weisen einen gleich großen Mittelpunktswinkel 2·α auf. Entsprechend erstrecken sich die jeweils zwei Ringsegmente 38 der einzelnen Paare 43, 44, 46, 47 symmetrisch mit einem Winkel ± α um die bei jeweils bei Winkelpositionen von 0° und 60° angeordneten Mittelradien 51 .

Die Empfangsspulen 28 (gezeigt in Fig. 4) sind bevorzugt durch Sinusspulen und Kosinusspulen gebildet. Die Begriffe„Sinusspule" und„Kosinusspule" sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der WO 201 1/134955 A2 bekannt. Die Sinusspulen sind bei der gezeigten Ausführungsform paarweise ausgebildet (nicht dargestellt), wobei jedes der Paare der Sinusspulen eine positive Sinusspule und eine negative Sinusspule umfasst. Die mit der positiven Sinusspule und die mit der negativen Sinusspule während des Drehens der Maßverkörperung 14 messbaren Signale weisen eine elektrische Periode auf, welche einen Drehwinkel zwischen der Maßverkörperung und dem Sensorring von 3607n = 36071 = 360° repräsentiert. In gleicher Weise sind die Kosinusspulen paarweise ausgebildet (nicht dargestellt), wobei jedes der Paare der Kosinusspulen eine positive Kosinusspule und eine negative

Kosinusspule umfasst. Die mit der positiven Kosinusspule und die mit der negativen Kosinusspule während des Drehens der Maßverkörperung 14 messbaren Signale weisen eine elektrische Periode auf, welche einen Drehwinkel zwischen der Maßverkörperung und dem Sensorring von 3607n = 36071 = 360° repräsentiert. Ein erstes Ringsegment 61 der ersten Ringsegmentanordnung 41 und ein erstes

Ringsegment 71 der zweiten Ringsegmentanordnung 42 sind von der positiven Sinusspule umschlossen (nicht dargestellt). Ein zweites Ringsegment 62 der ersten Ringsegmentanordnung 41 und ein zweites Ringsegment 72 der zweiten Ringsegmentanordnung 42 sind von der negativen Sinusspule umschlossen (nicht dargestellt). Ein drittes Ringsegment 63 der ersten Ringsegmentanordnung 41 und ein drittes Ringsegment 73 der zweiten Ringsegmentanordnung 42 sind von der positiven

Kosinusspule umschlossen (nicht dargestellt). Ein viertes Ringsegment 64 der ersten Ringsegmentanordnung 41 und ein viertes Ringsegment 74 der zweiten Ringseg- mentanordnung 42 sind von der negativen Kosinusspule umschlossen (nicht dargestellt).

Fig. 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sen- soranordnung in einer Querschnittsdarstellung. In dieser Querschnittsdarstellung ist insbesondere der Schalenkern 17 gezeigt. Im Übrigen gleicht diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in ihrem Aufbau dem in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Winkelsensor 02 und unterscheidet sich in der Ausführung der Ringsegmente 38 (vgl. Fig. 4) und der daraus resultierenden Anordnung der Empfangsspulen 28 (gezeigt in Fig. 4).

Die gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst einen vierpoligen Winkelsensor. Somit beträgt die Anzahl der Pole n = 4. Die rotierbare Maßverkörperung (nicht gezeigt; vgl. Fig. 8 und 9) weist eine Exzentrizität mit vier Ma- xima und vier Minima ihrer Ringbreite auf. Der vierpolige Winkelsensor dient der absoluten Messung von Winkeln im Bereich von 0° bis 360 4 = 90°.

Bei der gezeigten Ausführungsform sind sowohl der innere U-Schenkel 18 als auch der äußere U-Schenkel 19 des Schalenkernes 17 in die Ringsegmente 38 segmen- tiert, wobei erfindungsgemäß nur derjenige der beiden U-Schenkel 18, 19 segmentiert sein muss, der von den Empfangsspulen 28 (gezeigt in Fig. 4) umschlossen ist.

Grundsätzlich sind entweder die Ringsegmente 38 des inneren U-Schenkels 18 oder die Ringsegmente 38 des äußeren U-Schenkels 19 von den Empfangsspulen 28 (gezeigt in Fig. 4) umschlossen. Bevorzugt sind der innere U-Schenkel 18 und der äuße- re U-Schenkel 19 des Schalenkernes 17 in gleicher Weise in die Ringsegmente 38 segmentiert.

Jeder der beiden U-Schenkel 18, 19 umfasst 26 der Ringsegmente 38, die zusammen zwei Ringsegmentanordnungen 41 , 42 mit jeweils 13 der Ringsegmente 38 ausbilden. Jede der beiden Ringsegmentanordnungen 41 , 42 stellt bereits für sich allein die für einen vierpoligen Winkelsensor gemäß dem Stand der Technik notwendige Anordnung der Ringsegmente 38 dar. Erfindungsgemäß sind zwei der Ringsegmentanordnungen 41 , 42 ausgebildet, welche um einen Rotationswinkel von ß = 60 n = 60 4 = 15° bzw. ß = 607n + 3·3607η = 6074 + 270° = 285° um bezogen auf die Rotationsachse 04 zueinander versetzt sind. Aus diesem Grund sind die Ringsegmente 38 auf jedem der beiden U-Schenkel 18, 19 paarig vorhanden. Es sind vier Paare 43, 44, 46, 47 der Ringsegmente 38 vorhanden. Bei drei der vier Paare 43, 44, 46 weisen die beiden Ringsegmente 38 des jeweiligen Paares 43, 44, 46 einen Winkelversatz von 607n = 6074 = 15° zueinander bezogen auf die Rotationsachse 04 auf. Bei einem der vier Paare 47 weisen die beiden Ringsegmente 38 dieses Paares 47 einen Winkelversatz von ß = 607n + 3·3607η = 6074 + 270° = 285° zueinander bezogen auf die Rotationsachse 04 auf.

Zwischen zwei unmittelbar benachbarten der Ringsegmente 38 ist jeweils ein Winkelabstand γ vorhanden. Sämtliche Winkelabstände γ auf dem inneren U-Schenkel 18 und auf dem äußeren U-Schenkel 19 des Schalenkernes 17 sind gleich groß. Hierfür sind einige verkürzte Ringsegmente 53 ausgebildet, die einen kleineren

Mittelpunktswinkel als die übrigen Ringsegmente 38 aufweisen.

Die Anordnung der Paare 43, 44, 46, 47 der Ringsegmente 38 ermöglicht eine redundante Auswertung zur Bestimmung des zu messenden Winkes. Bei dem mehrpoligen Winkelsensor können alle notwendigen Signale in einem Kreisringsektor mit einem Mittelpunktswinkel < 180° erzeugt werden, sodass durch Nutzung eines zweiten Kreisringsektors redundante Signale zur Verfügung stehen. Die redundanten Signale können getrennt ausgewertet werden und erhöhen die Funktionssicherheit. Diese Auswertung kann außerhalb oder innerhalb des Winkelsensors erfolgen.

Bezuqszeichenliste

Wälzlager

Winkelsensor

Innenring

Rotationsachse Außenring

Wälzkörper

Käfig

Dichtscheibe Sensorring

Halteelement

umlaufende Nut im Außenring

Maßverkörperung umlaufende Nut im Innenring

U-förmiger Schalenkern

innerer U-Schenkel

äußerer U-Schenkel U-Basis

innerer Stützring

äußerer Stützring

Ringraum Platine

Sendespule

Empfangsspulen

Kabel 31 Kabelhalterung

32 Aussparung im äußeren Stützring

35

36 Leiterbahnen

37 Öffnungen in der Platine

38 Ringsegmente

40

41 erste Ringsegmentanordnung

42 zweite Ringsegmentanordnung

43 Paar der Ringsegmente

44 Paar der Ringsegmente

45

46 Paar der Ringsegmente

47 Paar der Ringsegmente

50

51 Mittelradius

52

53 verkürztes Ringsegment

60

61 erstes Ringsegment der ersten Ringsegmentanordnung

62 zweites Ringsegment der ersten Ringsegmentanordnung

63 drittes Ringsegment der ersten Ringsegmentanordnung

64 viertes Ringsegment der ersten Ringsegmentanordnung 70

71 erstes Ringsegment der zweiten Ringsegmentanordnung

72 zweites Ringsegment der zweiten Ringsegmentanordnung

73 drittes Ringsegment der zweiten Ringsegmentanordnung

74 viertes Ringsegment der zweiten Ringsegmentanordnung

2·α Mittelpunktswinkel

ß Winkelversatz

γ Winkelabstand

Claims

Patentansprüche

Sensoranordnung mit einem Winkelsensor (02), umfassend einen eine Rotationsachse (04) zumindest teilweise umschließenden Sensorring (1 1 ) und eine relativ zu diesem rotierbare Maßverkörperung (14);

- wobei auf dem Sensorring (1 1 ) mindestens eine Sendespule (27) und

mehrere Empfangsspulen (28) angeordnet sind, wobei ein Signal über einen magnetischen Kreis zwischen der Sendespule (27) und den Empfangsspulen (28) übertragbar ist, und wobei die rotierbare Maßverkörperung (14) eine variable Reluktanz in dem magnetischen Kreis ausbildet;

- wobei die Sendespule (27) in einem einen Teil des magnetischen Kreis bildenden ringförmigen Schalenkern (17) angeordnet ist;

- wobei die Maßverkörperung (14) als rotierbarer Ring ausgebildet ist, weicher den magnetischen Kreis zwischen zwei ringförmigen Schenkeln (18, 19) des Schalenkernes (17) schließt;

- wobei die Empfangsspulen (28) jeweils teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Schalenkernes (17) angeordnet sind, wobei zumindest einer der beiden ringförmigen Schenkel (18) des Schalenkernes (17) segmentartig ausgebildet ist, sodass er Ringsegmente (38) umfasst, wobei die Empfangsspulen (28) jeweils mindestens eines der Ringsegmente (38) umschließen; wobei die Ringsegmente (38) bezogen auf die Rotationsachse (04) jeweils einen Kreisbogen ausbilden, wobei jeweils ein Mittelradius (51 ) des jeweiligen Kreisbogens eine Symmetrieachse des jeweiligen Kreisbogens ausbildet; und

- wobei der Winkelsensor für eine Messung über n Pole mit n > 1 ausgebildet ist;

dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmente (38) paarweise als Paare (43, 44, 46, 47) vorhanden sind, wobei die Mittelradien (51 ) der beiden Ringsegmente (38) der einzelnen Paare (43, 44, 46, 47) einen Winkel (ß) von (60 n + i-360 n) zueinander aufweisen, und wobei i eine ganze Zahl ist.

Sensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringsegmente (38) der einzelnen Paare (43, 44, 46, 47) von einer oder mehreren der Empfangsspulen (28) umschlossen sind, welche dazu ausgebildet sind, durch die beiden Ringsegmente (38) des jeweiligen Paares (43, 44, 46, 47) fließende magnetische Flüsse additiv in eine induzierte elektrische Spannung zu wandeln.

Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringsegmente (38) der einzelnen Paare (43, 44, 46, 47) gemeinsam von einer der Empfangsspulen (28) umschlossen sind.

Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringsegmente (38) der einzelnen Paare (43, 44, 46, 47) jeweils von einer der Empfangsspulen (28) umschlossen sind, sodass den Paaren (43, 44, 46, 47) je weils zwei der Empfangsspulen (28) zugeordnet sind, wobei die beiden Empfangsspulen (28) der einzelnen Paare (43, 44, 46, 47) elektrisch in Reihe zusammengeschaltet sind.

Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisbögen der Ringsegmente (38) jeweils einen Mittelpunktswinkel (2·α) aufweisen, wobei die Mittelpunktswinkel (2·α) der Kreisbögen der beiden Ringsegmente (38) der einzelnen Paare (43, 44, 46, 47) gleich groß sind.

Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen zwei benachbarten der Ringsegmente (38) ein Winkelab stand (γ) ausgebildet ist, wobei die Winkelabstände (γ) auf dem segmentartigen ausgebildeten ringförmigen Schenkel (18) des Schalenkernes (17) gleich groß sind.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide der ringförmigen Schenkel (18, 19) des Schalenkernes (17) segmentartig ausgebildet sind, wobei die Kreisbögen der Ringsegmente (38) des einen der beiden ringförmigen Schenkel (18) jeweils eine gleiche Winkelposition und einen gleichen Mittelpunktswinkel (2·α) wie die Kreisbögen der Ringsegmente (38) des anderen der beiden ringförmigen Schenkel (19) aufweisen.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Ringsegmente (38) des radial inneren der beiden ringförmigen Schenkel (18) des Schalenkernes (17) von den Empfangsspulen (28) umschlossen sind.

9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Auswerteinheit umfasst, die elektrisch mit den Empfangsspulen (28) verbunden ist, um Signale von den Empfangsspulen (28) zu empfangen, wobei die Auswerteeinheit dazu konfiguriert ist, die den einzelnen Paaren (43, 44, 46, 47) der Ringsegmente (38) zugeordnete Signale der Empfangsspulen (28) redundant zu verarbeiten.

10. Wälzlageranordnung, umfassend ein Wälzlager (01 ) mit einem ersten Lagerring (06) und mit einem zu dem ersten Lagerring (06) rotierbaren zweiten Lagerring (03), dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst, wobei der Sensorring (1 1 ) mit dem ersten

Lagerring (06) gekoppelt ist, und wobei die Maßverkörperung (14) drehfest mit dem zweiten Lagerring (03) verbunden ist.