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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Messung einer Position
mit einem magneto-resistiven Sensor und ein Verfahren zu deren Betrieb.
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Aus
dem Datenblatt 10/18-0.22-DE der Firma ABB ist ein elektropneumatischer
Stellungsregler bekannt, der zur Bestimmung der Position eines Aktors
einen als Drehaufnehmer ausgebildeten Wegsensor aufweist, der einen
Drehwinkel von bis zu 270° überstreicht.
Mit Hilfe eines sogenannten Anbausatzes wird der Stellungsregler
so angebaut, dass die Position bei rotatorischen Aktuatoren direkt und
bei linearen Aktuatoren bzw. Hubantrieben indirekt über eine
in eine Drehbewegung umgewandelte Hubbewegung ermittelt wird.
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Der
in dieser Offenbarung verwendete Begriff „Stellungsregler” steht
für ein
mechatronisches System, das entsprechend einem oder mehreren Eingangssignalen
die Hilfsenergie eines pneumatischen Stellantriebs steuert, um das
Stellorgan in eine bestimmte Position zu bringen. Zur Funktion benötigt der
digitale pneumatische Stellungsregler unter Druck stehendes Gas
als Hilfsenergie und elektrische Energie.
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Der
gattungsbildende digitale pneumatische Stellungsregler weist mindestens
die im Folgenden näher
bezeichneten Kernkomponenten auf. Mit einem pneumatischen System
werden in Abhängigkeit von
ein oder mehreren Eingangssignalen die Kammern eines einfach- oder
doppeltwirkenden pneumatischen Antriebes gezielt be- oder entlüftet. Mit
Hilfe einer Stellungsrückmeldungssensorik
werden die Bewegungen und Positionen des Stellorgans als ein oder
mehrere Signale darstellt. Darüber
hinaus ist eine Steuerelektronik vorhanden, die einen Microcontroller
aufweist und ein oder mehrere Eingangsignale empfängt. Die
Firmware in der Steuerelektronik verarbeitet die Eingangssignale
und die Signale der Stellungsrückmeldungssensorik
zu Ausgangssignalen welche als Eingangssignale des pneumatischen Systems
dienen.
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Die
Firmware des digitalen Stellungsreglers implementiert eine Funktion,
welche die dynamischen Eigenschaften des angeschlossenen Stellantriebes
analysiert. Bei der Inbetriebnahme wird während eines Initialisierungsprozesses
einmalig der Stellbereich des Stellorgans durchfahren und der Anfangs-
und Endwert des Stellbereichs aufgenommen.
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Stellantriebe
werden in Schwenk- und Hubantriebe unterschieden. Beim Hubantrieb
wird die lineare Bewegung des Abtriebs des Stellantriebs unmittelbar
auf ein linear betätigtes
Stellorgan übertragen.
Demgegenüber
wird beim Schwenkantrieb die lineare Bewegung des Abtriebs des Stellantriebs
mit geeigneten Mitteln in eine Drehbewegung umgesetzt.
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Es
ist bekannt, zur Messung der Position ein Potentiometer mit Schleiferabgriff
als Sensor zu verwenden. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht
ausreichend robust gegenüber
Vibration/Rütteln
sind und die Schleifer nach einer endlichen Anzahl an Bewegungen
sich abnutzen. Auch chemische Einflüsse können sich negativ auf die Lebensdauer
von Schleiferpotentiometern auswirken. Dieser Nachteil kann zum
Ausfall der Wegmessung führen und
damit zum Ausfall der Gerätefunktion.
Zudem weisen solche Potentiometer mit Schleiferabgriff nur einen
auf ca. 270° begrenzeten
Messbereich und eine nicht zu vernachlässigende Hysterese auf.
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Daher
ist man technisch bestrebt, die Robustheit des Sensors zu erhöhen. Hierfür bieten
sich sogenannte magneto-resistive Sensoren – im folgenden kurz MR-Sensor
genannt – an.
Eine geeignete Variante eines solchen MR-Sensors ist die Feldplatte.
Eine Feldplatte ändert
den Widerstand bei magnetischer Beeinflussung. Stand der Technik
ist eine konfektionierte Baugruppe, die nach Art eines Potentiometers
ausgeführt
ist. Sie besteht im Inneren aus einer verschalteten Feldplattenanordnung, über der senkrecht
ein Permanentmagnet berührungslos
zur Feldplatte angeordnet ist.
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Die
Feldplatte wird elektrisch kontaktiert und die elektrische Verbindung
wird nach Außen
zur Verwendung in einer Auswerteschaltung geführt. Eine dem Feldplattenpotentiometer
zugehörige
Welle ist drehbar so gelagert, dass eine rotatorische Bewegung aufgenommen
werden kann. Die Welle wird über
ein Lager ins Innere des Feldplattenpotentiometers geführt. Dort
ist der Permanentmagnet mechanisch fest mit der Welle verbunden. Über die
Welle ist es möglich
den Permanentmagneten entsprechend der von außen erfassten Drehbewegung
berührungslos über der
Feldplattenanordnung zu drehen und damit den elektrischen Widerstand
der Feldplattenanordnung zu verändern.
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Jedoch
weist die Übertragungsfunktion
einer solchen Feldplattenanordnung über den Drehwinkel von 360° eine Charakteristik
auf, die einer Sinus Funktion ähnelt.
Diese ist für
die Messung einer Position ist nicht der gesamte Bereich der Kennlinie
geeignet. Die Scheitelpunkte weisen eine für eine Positionsmessung zu
geringe oder gar keine Steigung auf, die messtechnisch – insbesondere
mit einem A/D-Wandler – erfasst
und ausgewertet werden könnten.
Daher stehen einem bei diesem Sensor zwei Bereiche zur Verfügung die
jeweils für
sich ca. 120° ...
140° betragen.
Die Messbereiche unterscheiden sich in ihrer Steigung. 0° ... 180° steigend,
180° ...
360° fallend
im Gegensatz zu einem üblichen Scheiferpotentiometer,
das eine streng-monoton steigende Widerstandsänderung (bei Verdrehung) und einen
undefinierten Bereich, in dem der Schleifer die Widerstandsbahn
verlässt,
aufweist. Nach Durchlaufen des undefinierten Bereichs greift der
Schleifer des Scheiferpotentiometers die Widerstandsbahn wieder
in seinem Ursprung ab.
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Bei
bekannten Stellungsreglern wird diese Eigenschaft des Scheiferpotentiometers
genutzt, um Wirkungsweisen festzulegen. Da bei typischen Hubantrieben
die Nullpunktlage am Positionssensor linksdrehend erreicht wird,
wird der Arbeitsbereich mit zwei Positionspunkten beschrieben, wobei
der Punkt mit dem geringeren Widerstandswert als 0% und der mit
dem höheren
Widerstandswert als 100% des Arbeitsbereiches definiert wird. Somit
kann fest davon ausgegangen werden, dass der Antrieb bei Linksdrehung
seine 0% Lage anfährt
und bei Rechtsdrehung die 100% Lage. Dies ist nur möglich, weil der
Positionssensor streng-monoton steigend ist und ein Widerstandswert
eindeutig eine Position kennzeichnet.
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Eine
deratige feste Zuordnung zwischen Bewegungsrichtung und Wirkrichtung
des Antriebs ist beim Feldplattenpotentiometer nur dann möglich, wenn
sichergestellt werden kann, dass als Sensorbereich entweder der
Bereich 0° ...
180° oder
der Bereich 180° ...
360° verwendet
wird. Diese Einschränkung
ist jedoch aus applikativen Gründen
nicht zu gewährleisten.
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Insbersondere
in den Anwendungsfällen,
in denen der nutzbare Sensorbereich von ca. +/–70° (140°) nicht ausreicht, wird der
Messbereich mechanisch mittels einer Getriebeübersetzung – beispielsweise mit einer Übersetzung
von 2:1 – aufgespreizt. Da
die Wegabgriffswelle keine mechanische Begrenzung besitzt und zwei
mal – also
720° – gedreht
werden muss, damit der Sensor eine Umdrehung (360°) erfährt, tritt
der Effekt auf, dass der Messbereichsendwert – beispielsweise der 0° Punkt – mal im
ersten Messbereich des Sensors (0° ...
180°) und
mal im zweiten Messbereich (180° ...
360°) liegt.
Somit ist die Steigung an demselben Messpunkt mal steigend und mal
fallend, was eine Zuordnung zwischen Bewegungsrichtung und Wirkrichtung
des Antriebs ausschließt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur berührungslosen
Messung einer Position mit einem MR-Sensor und ein Verfahren zu
deren Betrieb anzugeben, das eine eindeutige Zuordnung der Bewegungsrichtung
der Wegabgriffswelle zur Wirkrichtung des Antriebs zulässt.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gegenständlich
mit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Darüber hinaus wird diese Aufgabe verfahrensgemäß mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind jeweils in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht aus von dem bekannten Stellantrieb, der mittels eines
Anbausatzes mit dem Stellungsregler verbunden ist, wobei der Stellungsregler
eine Steuerelektronik aufweist, die mit Hilfe eines Microcontrollers
ein oder mehrere Eingangssignale empfängt und Stellsignale zur Steuerung
des Stellantriebes ausgibt. Die Stellungsrückmeldungssensorik ist mit
einem rotatorischen, magneto-resistiven Messsystem ausgestattet,
das formschlüssig
mit einem Positionsaufnehmer des Stellantriebes verbunden ist. Dieses
Messsystem weist eine wegproportionale Übertragungskennlinie mit mehreren
Bereichen auf, die für
eine Positionsmessung geeignet sind und deren zugehörigen Kennlinienabschnitte
sowohl positive als auch negative Steigungen aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist mindestens
ein Bereichssensor zur Erfassung des Kennlinienbereiches des als
Feldplattenpotentiometer ausgebildeten magneto-resistiven Messsystems, in dem die Positionsmessung
stattfindet, vorgesehen und mit der Steuerelektronik verbunden.
Dabei ist jeder Bereichssensor genau einem Kennlinienbereich des
Messsystems zugeordnet. Die Aktivierung eines Bereichssensors zeigt
an, in welchem Kennlinienbereich des Messsystems die Positionsmessung
stattfindet. Folglich ist bekannt, ob es sich um einen steigenden
oder fallenden Kennlinienabschitt bezogen auf die Verfahrrichtung
des Stellantriebs handelt. Somit ist eine eindeutige Zuordnung der
Bewegungsrichtung der Wegabgriffswelle zur Wirkrichtung des Antriebs
gegeben.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Bereichssensor als
berührungslos
wirkender Schalter ausgebildet. Vorteilhafterweise ist ein solcher
Schalter hoch verfügbar,
da Fehlfunktionen durch Verschmutzung, Abrasion und Korrosion vermieden
werden.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Bereichssensor magnetisch
aktivierbar. Insbesondere ist der Bereichssensor durch den Magneten des
magneto-resistiven
Messsystems aktivierbar. Vorteilhafterweise sind dadurch besondere
Aktivierungsmittel verzichtbar, so dass der materiell Aufwand für die Bereichserfassung
gering bleibt.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der berührungslos wirkende Bereichssensor
durch einen gesonderten Magneten aktivierbar, der synchron mit dem
Wegabgriff des Stellglieds bewegbar ist. Vorteilhafterweise ist
der Bereichssensor auf einer bereits vorhandenen Elektronikbaugruppe
integriert, so dass eine zusätzliche
Leiterkarte, elektrische Anbindung und/oder mechanische Aufnahme verzichtbar
ist.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung sind der Bereichssensor und
sein Betätigungselement
in das magneto-resistive Messsystem integriert. Vorteilhafterweise
wird damit eine kompakte Baueinheit geschaffen, die alle Elemente
des Messsystems vereinigt.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Bereichssensor auf
einer gesonderten Leiterplatte angeordnet, die den aktivierenden
Magneten derart überdeckt,
dass die Messbereiche zuverlässig detektiert
werden. Vorteilhafterweise ist die Leiterkarte, deren elektrische
Anbindung und mechanische Aufnahme so angeordnet, dass jegliche
gegenüber einem
Standard zusätzliche
Teile dieser Baugruppe zugeordnet werden können und somit die anfallenden
Mehrkosten entsprechend einer Option bepreist werden können.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der berührungslos wirkende Bereichssensor
mechanisch aktivierbar. Vorteilhafterweise wird dabei die ohnehin
vorhandene Bewegung der mechanischen Übertragungsglieder der Stellungsrückmeldungssensorik
ausgenutzt, so dass mit geringem Aufwand eine zuverlässige Ermittlung
des jeweiligen Messbereichs ermöglicht
wird.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der berührungslos wirkende Bereichssensor
optisch aktivierbar.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der berührungslos wirkende Bereichssensor
kapazitiv aktivierbar.
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Bei
einem derartigen Messsystem ist vorgesehen, dass der Aktivität jedes
Bereichssensors ein Vorzeichen für
die Steigung der Kennlinie des Messsystems, in dem die Positionsmessung
stattfindet, zugeordnet wird, aus dem die Wirkrichtung des Stellantriebes
geschlossen wird. Damit ist bekannt, ob es sich um einen steigenden
oder fallenden Kennlinienabschitt bezogen auf die Verfahrrichtung
des Stellantriebs handelt, und eine eindeutige Zuordnung der Bewegungsrichtung
der Wegabgriffswelle zur Wirkrichtung des Antriebs gegeben.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung wird jeder Bereichssensor während einer
Initialisierungsphase gespeist und nach Abschluß der Initialisierung des Stellantriebes
abgeschaltet. Vorteilhafterweise wird dadurch erreicht, dass der
Energiebedarf des Stellantriebes während seines bestimmungsgemäßen Gebrauchs
durch den Bereichssensor nicht belastet wird.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein erster Messbereich
dadurch erkannt, dass der einzige Bereichssensor während einer
Initialisierungsphase aktiviert wird, und ein zweiter Messbereich
dadurch erkannt, dass der einzige Bereichssensor während einer
Initialisierungsphase nicht aktiviert wird. Wenn der einzige Bereichssensor
hingegen in allen Messbereichen oder in keinem Messbereich aktiviert
wird, liegt ein Fehler vor.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung wird bei Ausfall des Messsystems
eine Diagnosemeldung generiert.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Wirkungsbereich des
Bereichssensors kleiner als der Messbereich des Messsystems, endet
jeweils vor dem Messbereichsendwert und wird während der Initialisierungsphase
jeweils mindestens einmal unter Beobachtung des Schaltzustands des
Bereichssensors vollständig überfahren.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Stellantriebes mit einem Stellungsregler
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2 eine
perspektivische Detaildarstellung einer Anordnung zur berührungslosen
Messung einer Position eines Stellglieds
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In
der 1 ist eine fragmentarisch angedeutete Rohrleitung 1 einer
nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ein Prozessventil 2 als
Stellglied eingebaut. Das Prozessventil 2 weist in seinem
Inneren einen mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden
Schließkörper 4 zur
Steuerung der Menge durchtretenden Prozessmediums 5 auf.
Der Schließkörper 4 wird
von einem als Hubantrieb ausgebildeten, pneumatischen Stellantrieb 6 über eine Hubstange 7 linear
betätigt.
Der Stellantrieb 6 ist über ein
Joch 8 mit dem Prozessventil 2 verbunden. An dem
Joch 8 ist ein digitaler Stellungsregler 9 angebracht. Über einen
Positionsaufnehmer 10 wird der Hub der Hubstange 7 in
den Stellungsregler 9 gemeldet. Der erfasste Hub wird mit
dem über
eine Kommunikationsschnittstelle 11 zugeführten Sollwert
in einer Steuerelektronik 18 verglichen und der Stellantrieb 6 in
Abhängigkeit
von der ermittelten Regelabweichung angesteuert. Die Steuerelektronik 18 des Stellungsreglers 9 bedient
einen I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung
in einen adäquaten
Steuerdruck auf. Der I/P-Umsetzer des Stellungsreglers 9 ist über eine
Druckmittelzuführung 19 mit
dem Stellantrieb 6 verbunden.
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Der
Positionsaufnehmer 10 ist in dem Stellungsregler 9 mit
der Drehachse eines magnoto-resistiven Sensors insbesondere eines
Feldplattenpotentiometers verbunden und weist ein Auge auf, in das
ein Mitnehmer auf der Hubstange 7 eingreift.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
verwendet gemäß der Darstellung
in 2 einen HALL-Sensor 21 als berührungslos
wirkenden Schalter, der auf einer nicht dargestellten Leiterkarte
stationär
angeordnet ist. Das Aktivierungselement für den HALL-Sensor 21 ist
als etwa halbkreisförmiger
Permanentmagnet 20 ausgeführt, der synchron mit dem Wegabgriff
an der Hubstange 7 des Prozessventils 2 bewegt
wird. Insbesondere ist der Permanentmagnet 20 drehbar auf
einem Zahnrad 22 gelagert. Dabei ist jeweils einer halben
Umdrehung des Zahnrades 22 ein qualifizierter Messbereich
zugeordnet. In einem ersten Messbereich befindet sich der Permanentmagnet 20 im
Erfassungsbereich des HALL-Sensor 21. Ein zweiter Messbereich
liegt vollständig
außerhalb des
Erfassungsbereich des HALL-Sensors 21.
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Die
besagte Leiterkarte grenzt an die dem Permanentmagneten 20 abgewandte
Seite des HALL-Sensors 21 und ist parallel zur Ebene des
Permanentmagneten 20 ausgerichtet.
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In
dieser Ausführung
ist der Wegabgriff des Prozessventils 2 mit Hilfe eines
Getriebes bestehend aus einem ersten Zahnrad 23 und einem
zweiten Zahnrad 22 mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1
auf den berührungslosen
Wegsensor, der als Feldplattenpotentiometer ausgebildet ist, gekoppelt. Der
Permanentmagnet 20 ist auf einer Hälfte großen zweiten Zahnrads 22 angebracht.
Der Permanentmagnet 20 überstreicht
dabei einen Winkel, der kleiner als 180° ist. Dadurch werden Überdeckungen
der Messbereiche durch Permanentmagneten 20 infolge Fehljustierung
und Toleranzen und damit eine unbeabsichtigte Aktivierung des zweiten
Wegmessbereiches vermieden.
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Der
HALL-Sensor 21 wird in besonderer Ausgestaltung der Erfindung
nur innerhalb einer Initialisierungsphase, insbesondere zum Selbstabgleich beziehungsweise
in einer Prozedur zur Festlegung der oberen- und unteren Messbereichsgrenzen,
versorgt. Dabei wird überprüft, ob der
HALL-Sensor 21 mindestens einmal aktiviert wurde und ob
sich die Messwerte zu jedem Zeitpunkt innerhalb des gültigen Messbereiches
befanden. Wurde der HALL-Sensor 21 aktiviert, wird eine
positive Steigung der Übertragungskennlinie
des Feldplattenpotentiometers angenommen, wenn der HALL-Sensor 21 dabei
nie aktiviert wurde, wird eine negative Steigung angenommen. Aus
der so ermittelten Steigung der Kennlinie wird auf eine konkrete,
feste Wirkrichtung des Stellantriebs 6 geschlossen.
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- 1
- Rohrleitung
- 2
- Prozessventil
- 3
- Ventilsitz
- 4
- Schließkörper
- 5
- Prozessmedium
- 6
- Stellantrieb
- 7
- Ventilstange
- 8
- Joch
- 9
- Stellungsregler
- 10
- Positionsaufnehmer
- 11
- Kommunikationsschnittstelle
- 18
- Steuerelektronik
- 19
- Druckmittelzuführung
- 20
- Permanentmagnet
- 21
- HALL-Sensor
- 22,
23
- Zahnrad