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Technischer Hintergrund
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Die Erfindung betrifft ein elektrisch ansteuerbares Aggregat nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Derartige Aggregate werden beispielsweise in elektronisch schlupfregelbaren Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen zur Betätigung eines Druckerzeugers eingesetzt. Mit dem geförderten Druckmittel wird in Radbremsen dieser Bremsanlagen ein Bremsdruck aufgebaut, dessen Höhe sich proportional zum geförderten Volumen an Druckmittel einstellt. Zur Berechnung des verdrängten Volumens an Druckmittel sind Sensoreinrichtungen vorhanden, welche den Drehwinkel eines Rotors eines Elektromotors des Aggregats erfassen und das erfasste Drehwinkelsignal einem elektronischen Steuergerät der Fahrzeugbremsanlage zur weiteren Auswertung zuführen.
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Dieses Steuergerät ist zudem geeignet, den Bremsdruck radindividuell an die Schlupfverhältnisse anzupassen, welche aktuell an den jeweils zugeordneten Rädern des Fahrzeugs vorherrschen. Durchdrehende Räder eines Fahrzeugs lassen sich somit verhindern, die Fahrstabilität eines Fahrzeugs verbessern und letztlich können Bremsvorgänge in Abhängigkeit der momentanen Verkehrssituation unabhängig von einem vorliegenden Bremswunsch eines Fahrers durchgeführt werden.
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Stand der Technik
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Ein elektrisch ansteuerbares Aggregat nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist beispielsweise in der älteren Patentanmeldung Nr.
DE 10 2018 222 842 offenbart.
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Dieses bekannte Aggregat umfasst einen elektrisch kommutierten Motor mit einem Rotor sowie einer drehfest mit diesem Rotor verbundene Motorwelle. Der Rotor ist konventionell aufgebaut und weist ein Rotorpaket mit mehreren in Umfangsrichtung des Rotorpakets nebeneinanderliegend angeordneten Magneten auf. Diese Magnete wirken in bekannter Art und Weise mit Magneten eines Stators des Motors derart zusammen, dass der Rotor mit der Motorwelle zu einer Rotationsbewegung angetrieben wird. Der Stator ist dazu in einem Motorgehäuse untergebracht, in dem der Rotor über die Motorwelle drehbar gelagert ist.
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Zu einer quantitativen Erfassung der Drehbewegung des Rotors ist eine Sensoreinrichtung vorgesehen, die aus einem mit dem Rotor umlaufenden Signalgeber sowie einem zugeordneten und am Motorgehäuse ortsfest verankerten Signalempfänger aufgebaut ist. Der Signalgeber ist am Rotor durch mechanische Verbindungsmittel, beispielsweise Nieten, befestigt.
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Signalempfänger und Signalgeber arbeiten nach einem induktiven Messprinzip. Hierfür umfasst der Signalempfänger eine Erregerspule und eine Detektorspule, welche bei einer Rotation des Signalgebers von den Bereichen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit im Wechsel überstrichen werden. Mit dem Wechsel der elektrischen Leitfähigkeit wird eine veränderliche Spannung in der Detektorspule induziert, welche die Rotationsbewegung des Signalgebers bzw. der Rotorbaugruppe charakterisiert.
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Vorteilhaft an einer derartigen unmittelbaren Anordnung des Signalgebers am Rotor ist die kurze Bauweise des Aggregats in Richtung einer Längsachse seiner Motorwelle. Zudem wird eine relativ präzise Erfassung des tatsächlichen Drehwinkels des Rotors ermöglicht, weil zwischen Signalgeber und Rotor keine trägheitsbedingte Torsion der Motorwelle aufgrund von am Rotor angreifenden Beschleunigungs- oder Verzögerungskräften auftritt.
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Dennoch ist die Leiterplatte mit ihrer flügelförmigen Beschichtung relativ teuer in der Herstellung und es sind zudem zusätzliche Arbeitsgänge zur Befestigung der Leiterplatte am Rotor notwendig. Werden als Verbindungsmittel Nieten oder Schrauben eingesetzt so führt dies zu einer Erhöhung der Bauteileanzahl sowie des Gewichts und damit des Trägheitsmoments des Rotors. Schließlich sind bei der Montage der Leiterplatte an den Rotor relativ hohe Anforderungen hinsichtlich der Konzentrizität dieser Leiterplatte zu einer Längsachse der Motorwelle einzuhalten, um die Präzision der Drehwinkelerfassung nicht zu beeinträchtigen.
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Vorteile der Erfindung
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Ein elektrisch ansteuerbares Aggregat nach den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Signalgeber kostengünstiger als beim erläuterten Stand der Technik herstellbar ist. Die drehfeste Befestigung des Signalgebers auf der Maschinenwelle ist mit wenig technischem Aufwand darstellbar. Zusätzliche Befestigungsmittel und Arbeitsschritte zu einer Verankerung des Signalgebers am Rotor werden eingespart. Erfindungsgemäß umfasst der Signalgeber ein Blechformteil das flächenbündig am Rotor anliegt und das drehfest auf der Maschinenwelle befestigt ist. Mit der flächenbündigen Anlage des Signalgebers am Rotor lässt sich der Signalgeber im Bauraum der elektrischen Maschine unterbringen und die Baulänge des Aggregats in Richtung der Längsachse der Maschinenwelle ist unverändert kompakt.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die drehfeste Befestigung des Signalgebers auf der Maschinenwelle als Pressverbindung ausgeführt. Dadurch lassen sich separate Befestigungsmittel wie Schrauben oder Nieten einsparen und der Befestigungsvorgang kann automatisiert durchgeführt und überwacht werden.
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Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, diese Pressverbindung als Kerbverzahnung auszuführen. Dabei ist am Umfang der Maschinenwelle wenigstens ein radial vorstehender und sich in Richtung einer Längsachse der Maschinenwelle erstreckender Kerbzahn vorgesehen, welcher bei der Verankerung des Signalgebers auf der Maschinenwelle Material in einem Bereich einer Nabe des Signalgebers verdrängt. Im Ergebnis wird damit eine kraft- und gleichzeitig formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen geschaffen, die unerwünschte Relativbewegungen zwischen Signalgeber und Rotor insbesondere im Nabenbereich des Signalgebers besonders wirkungsvoll verhindert.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Signalgeber zusätzlich zur drehfesten Befestigung auf der Maschinenwelle am Rotor festgelegt. Damit lassen sich Relativbewegungen oder Verformungen des Signalgebers in Umfangsrichtung und darüber hinaus in Richtung der Längsachse der Maschinenwelle verhindern. Evtl. Verformungen können sich ansonsten aufgrund der einsetzenden Trägheitskräfte bei betriebsbedingten Änderungen der Drehgeschwindigkeit einstellen.
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Zwischen Signalgeber und Rotor kann beispielsweise ein Kraftschluss vorgesehen werden. Letzterer ist durch ein elastisches Vorspannmittel darstellbar, das auf einer vom Rotor abgewandten Seite des Signalgebers auf der Maschinenwelle angeordnet ist und das den Signalgeber mit einer in Richtung der Längsachse dieser Maschinenwelle wirkenden Vorspannkraft gegen den Rotor drückt. Das Vorspannelement stellt die flächenbündige Anlage des Signalgebers am Rotor sicher und bewirkt eine Reibungskraft zwischen den Bauteilen.
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Anstelle eines Kraftschlusses zur Vermeidung von Relativbewegungen in Umfangsrichtung kann auch ein Formschluss zwischen dem Signalgeber und dem Rotor vorgesehen werden. Dieser wird vorteilhaft durch eine am Blechformteil des Signalgebers ausgebildete und in Richtung der Längsachse der Maschinenwelle vorspringende Lasche oder Noppe erreicht, welche in eine zugeordnete Öffnung des Rotors eindringt.
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Über eine plastische Verformung des in die Öffnung hineinragenden Endes der Lasche bzw. der Noppe lassen sich Signalgeber und Rotor im Sinne einer Verstemmung oder Vernietung vorteilhafter Weise miteinander fest verbinden. Mit einer festen Verbindung lassen sich Relativbewegungen in Umfangsrichtung und gleichzeitig in Richtung der Längsachse der Maschinenwelle weitgehend ausschließen und die Präzision des Messergebnisses weiter verbessern.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung detailliert erläutert.
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Die Zeichnung umfasst insgesamt 6 Figuren, von denen
- die 1 eine der Erfindung zugrundeliegende Rotorbaugruppe in dreidimensionaler Darstellung zeigt;
- die 2 eine Maschinenwelle und einen Signalgeber, die miteinander durch eine konventionelle Pressverbindung verbunden sind, zeigt;
- die 3 eine Maschinenwelle mit daran ausgebildeten Kerbzähnen in perspektivischer Darstellung zeigt;
- die 4 ein Vorspannelement im Querschnitt zeigt, welches den Signalgeber gegen den Rotor drückt;
- die 5 einen Rotor mit Aufnahmeöffnungen für aus der Querschnittsfläche eines Signalgebers vorspringenden Laschen oder Noppen zeigt und
- die 6 schematisch vereinfacht eine aus der Querschnittsfläche des Signalgebers vorspringenden und eine Öffnung des Rotors hineinragende Lasche zeigt.
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In den einzelnen Figuren sind für einander entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet worden.
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Beschreibung der Figuren
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Der in 1 dargestellte Rotor 10 einer elektrischen Maschine umfasst jeweils ein Rotorpaket 12, mehrere Magnete 14, welche entlang eines äußeren Umfangs, nebeneinanderliegend am Rotorpaket 12 angeordnet sind, einen an einer Stirnseite des Rotorpakets 12 flächenbündig anliegenden Signalgeber 16 einer Sensoreinrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels des Rotors 10 sowie eine Maschinenwelle 18, welche das Rotorpaket 12 mit seinen Magneten 14 trägt und welche durch eine zugeordnete Wellenöffnung 30 am Signalgeber 16 hindurchragt. Die Maschinenwelle 18 und der Rotor 10 sind drehfest miteinander verbunden.
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Das Rotorpaket 12 ist aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten und aneinander befestigten Rotorblechen 20 aufgebaut. Bei diesen Rotorblechen 20 handelt es sich um im Wesentlichen ebene, weitgehend kreisrund ausgebildete Formteile aus einem weichmagnetischen Werkstoff, sogenanntem Elektroblech. Die einzelnen Rotorbleche 20 sind aneinander befestigt, haben eine zueinander deckungsgleiche Außenkontur und sind mit durchgehenden Ausnehmungen 22 versehen, in welchen die Magnete 14 des Rotors 10 aufgenommen sind.
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Der Signalgeber 16 nach 1 ist erfindungsgemäß ebenfalls als Blechformteil ausgeführt. Jenes besteht aus einem metallischen Material, insbesondere aus demselben Material wie die Rotorbleche 20 des Rotors 10 und weist im Bereich entlang seines Außenumfangs mehrere Aussparungen 32 auf, welche in Umfangsrichtung jeweils durch flügelfömige Abschnitte 34 voneinander beabstandet sind. Die Aussparungen 32 bilden elektrisch nicht-leitfähige Bereiche und die flügelförmigen Abschnitte 34 elektrisch leitfähige Bereiche des Signalgebers 16 aus. Die Aussparungen 32 sind beispielhaft zum Umfang des Blechformteils hin offen; ihre geometrische Form entspricht ebenso beispielhaft weitgehend der geometrischen Form der flügelförmigen Abschnitte 34.
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Nach radial innen schließt sich an die Aussparungen 32 bzw. an die flügelförmigen Abschnitte 34 des Signalgebers 16 ein Ringbereich mit in Umfangsrichtung aneinandergereihten Durchbrüchen 26 an. Die Durchbrüche 26 umschließen einen Nabenbereich 28 des Signalgebers 16 mit einer im Zentrum dieses Nabenbereichs 28 ausgebildeten Wellendurchführung 30, durch welche die Maschinenwelle 18 hindurchgesteckt ist.
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Erfindungsgemäß liegt der Signalgeber 16 flächenbündig am Rotor 10 an und ist zudem drehfest auf der Maschinenwelle 18 befestigt. Die drehfeste Befestigung kann exemplarisch als konventionelle Pressverbindung 24 ausgeführt sein. Bei einem in 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel einer solchen Pressverbindung 24 weisen die Maschinenwelle 18 sowie die Wellendurchführung 30 im Nabenbereich 28 des Signalgebers 16 jeweils einen zylindrischen Querschnitt auf. Der Außendurchmesser der Maschinenwelle 18 ist dabei größer bemessen als der Innendurchmesser der Wellendurchführung 30 des Signalgebers 16, so dass das zwischen beiden Bauteilen bestehende Übermaß beim gegenseitigen Fügen der Bauteile eine radiale Vorspannkraft bewirkt, durch welche der Signalgeber 16 auf der Maschinenwelle 18 drehfest verankert ist.
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Bei einem zweiten, alternativen Ausführungsbeispiel einer Pressverbindung zwischen dem Signalgeber 16 und der Maschinenwelle 18 wird eine Kerbverzahnung eingesetzt. Wie in der 3 zu erkennen, sind dazu beispielhaft entlang des Umfangs der Maschinenwelle 18 in gleichmäßigen Abständen zueinander mehrere radial abstehende und sich in Richtung einer Längsachse L dieser Maschinenwelle 18 erstreckende Kerbzähne 40 ausgebildet. Die Kerbzähne 40 reichen vom einen Ende der Maschinenwelle 18 bis zu dem auf der Maschinenwelle 18 angeordneten Rotor 10; der Signalgeber 16 ist im Bereich dieser Kerbzähne 40 auf der Maschinenwelle 18 angeordnet. Die Kerbzähne 40 weisen an ihrem vom Rotor 10 abgewandten Ende Fügeschrägen 42 auf, über welche sich der Signalgeber 16 beim Fügen auf die Maschinenwelle 18 über seine Wellendurchführung 30 zentriert. Im Bereich der maximalen Erhebung der Kerbzähne 40 ist beispielhaft ein spitz zulaufender Zahnkopf 44 ausgebildet, wodurch der jeweilige Kerbzahn 40 beim Fügevorgang Material der Wellendurchführung 30 des Signalgebers 16 verdrängt ohne dabei Späne abzulösen. Die Querschnittsform des Kerbzahns 40 ist anwendungsspezifisch festlegbar.
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Im aufgepressten Stadium des Signalgebers 16 auf die Maschinenwelle 18 sind die Bauteile demnach durch eine Kombination aus einer kraftschlüssigen und einer formschlüssigen Verbindung relativ starr miteinander verbunden. Eine derartige Verbindung verhält sich äußerst robuster gegenüber Relativbewegungen in Umfangsrichtung der Maschinenwelle 18 selbst bei sich ändernden Umgebungsbedingungen.
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Der Signalgeber 16 ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zusätzlich zur erläuterten drehfesten Befestigung auf der Maschinenwelle 18 am Rotor 10 festgelegt. Dadurch lassen sich unerwünschte, weil das Messergebnis beeinträchtigende Relativbewegungen in Umfangsrichtung weiter entgegenwirken. Die Befestigung des Signalgebers 16 am Rotor 10 kann einen Kraft- und/oder einen Formschluss umfassen.
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Ein Beispiel für einen Kraftschluss zwischen dem Signalgeber 16 und dem Rotor 10 ist in der 4 veranschaulicht. Dieser Kraftschluss wird mit Hilfe eines elastischen Vorspannelement 50 bewirkt, das auf der Maschinenwelle 18 auf der vom Rotor 10 abgewandten Seite des Signalgebers 16 angeordnet ist. Vorzugsweise wird als Vorspannelement 50 eine Tellerfeder verwendet, welche sich einerseits am Signalgeber 16 und gegenüberliegend dazu an einem die Maschinenwelle 18 im Maschinengehäuse lagernden Wälzlager 52 abstützt. Der Abstand zwischen dem Wälzlager 52 und dem Signalgeber 16 ist dabei so gewählt, dass das einliegende Vorspannelement 50 den Signalgeber 16 mit einer in Richtung der Längsachse L der Maschinenwelle 18 wirkenden Axialkraft in Richtung eines Rotorblechs 20 des Rotors 10 belastet. Diese Axialkraft stellt zum einen sicher, dass der Signalgeber 16 unter Betriebsbedingungen sicher in flächenbündiger Anlage am Rotor 10 gehalten wird und bewirkt zum anderen zwischen Signalgeber 16 und Rotor 10 eine Reibungskraft, die potenziell in Umfangsrichtung erfolgenden Relativbewegungen zwischen den Bauteilen entgegenwirkt. Im dargestellten Beispiel ist der Signalgeber 16 beispielhaft als dreidimensionales Gebilde mit einem schüssel- bzw. tassenförmigem Querschnitt ausgeführt, was jedoch eine ebene bzw. weitgehend zweidimensionale Gestaltung des Signalgebers 16 nicht ausschließt.
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5 und 6 zeigen eine Variante bei welcher der Signalgeber 16 und der Rotor 10 durch einen Formschluss miteinander verbunden sind. Am Signalgeber 16 ist dazu eine Lasche 60 ausgebildet, die senkrecht von der Querschnittsfläche des Signalgebers 16 absteht und demnach koaxial zur Längsachse L der Maschinenwelle 18 ausgerichtet ist. Die Lasche 60 befindet sich auf der dem Rotor 10 zugewandten Seite des Signalgebers 16 und kann exemplarisch mittels einer u-förmigen Ausstanzung am Blechformteil des Signalgebers 16 sowie einem anschließenden Umbiegen des inneren Teils dieser Ausstanzung ausgebildet werden.
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Am Rotor 10 ist eine Aufnahmeöffnung 64 ausgebildet, welche der Lasche 60 zugeordnet ist bzw. in welche sich diese Lasche 60 hinein erstreckt, wenn der Signalgeber 16 flächenbündig am Rotor 10 anliegt. Würde der Signalgeber 16 nicht ohnehin drehfest auf der Maschinenwelle 18 angeordnet sein, so würde die Lasche 60 somit einen Mitnehmer ausbilden, durch welchen die Rotationsbewegung des Rotors 10 auf den Signalgeber 16 übertragbar wäre. Selbstverständlich können mehrere solcher Laschen 60 über den Querschnitt des Signalgebers 16 verteilt angeordnet sein. Einen mit mehreren Aufnahmeöffnungen 64 zur Aufnahme der Laschen 60 versehenen Rotor 10 zeigt die 5.
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Anstelle von Laschen 60 können am Signalgeber alternativ Noppen 62 angeformt werden, welche ebenfalls senkrecht von der Querschnittsfläche vorstehen. Solche Noppen lassen sich beispielweise prägetechnisch mittels Stempel und Matrize am Signalgeber 16 umformtechnisch anbringen. Diese Verbindungstechnik ist in Fachkreisen auch unter den Begriffen Clinchen oder Toxen bekannt.
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Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen an den beschriebenen Ausführungsbeispielen denkbar, ohne vom eingangs dargelegten Grundgedanken der Erfindung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 abzuweichen.
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Diesbezüglich auszuführen ist, dass die in die Öffnungen 64 des Rotors 10 hineinragende Enden der Laschen 60 bzw. der Noppen 62 nach einer flächenbündigen Anlage des Signalgebers 16 am Rotor 10 plastisch umgeformt werden können. Dazu wird beispielsweise von dem, dem Signalgeber 16 gegenüberliegenden Ende her ein Stempel in die Aufnahmeöffnung 64 des Rotors 10 eingeführt. Im Inneren des Rotors 10 wird mit diesem Stempel das freie Ende der Lasche 60 umgebogen bzw. der Noppen 62 axial verstemmt. Auf diese Weise ist zwischen dem Signalgeber 16 und wenigstens einem Rotorblech 20 des Rotors 10 eine feste Verbindung darstellbar. Die Letztere schließt sowohl radial gerichtete, also in Umfangsrichtung der Maschinenwelle 18 erfolgende Relativbewegungen als auch axial gerichtete, also in Richtung der Längsachse L der Maschinenwelle 18 gerichtete Relativbewegung zwischen Signalgeber 16 und Rotor 10 zumindest weitgehend aus und in der Folge sind nochmals präzisere Messergebnisse hinsichtlich des Drehwinkels des Rotors 10 erzielbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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