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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Winkellageerkennung einer Welle und einen Elektromotor.
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Als Anordnungen zur Winkellageerkennung sind beispielsweise Resolver bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor kompakt weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anordnung nach den in Anspruch 1 und bei dem Elektromotor nach den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anordnung zur Winkellageerkennung einer Welle sind, dass an der Welle ein erstes Abschirmteil drehfest verbunden ist, wobei an einer von der Welle abgewandten Seite zumindest ein Dauermagnet angeordnet ist,
wobei ein stationär angeordnetes, zweites Abschirmteil auf der axial von der Welle abgewandten Seite angeordnet und vom ersten Abschirmteil sowie vom Dauermagnet beabstandet angeordnet ist,
wobei zwischen zweitem Abschirmteil und erstem Abschirmteil und Dauermagnet eine Leiterplatte angeordnet ist, auf der magnetfeldsensitive Sensoren angeordnet sind.
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Von Vorteil ist dabei, dass eine gute Abschirmung mit geschlossenem oder fast geschlossenem Gehäuse realisierbar ist. insbesondere sind von außen stammende Magnetfelder ablenkbar von den Sensoren. Somit ist das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und es sind weniger Fehler bewirkbar. Beispielsweise ist die Anordnung in einem Elektromotor mit Bremse vorsehbar, wobei die Bremse eine Bremsspule aufweist, deren Magnetfelder auch durch die Rotorwelle in Richtung der Anordnung gelenkt werden. Dadurch, dass jedoch das erste Abschirmteil direkt auf der Welle montierbar ist, ist ein effektives Ablenken auch der durch die Welle herangeführten Magnetfelder bewirkbar und somit eine verbesserte Abschirmung erreicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die magnetfeldsensitiven Sensoren einen Hall-Sensor, einen Kreuz-Hall-Sensor, Impulsdrahtsensor und/oder einen Wiegand-Sensor. Von Vorteil ist dabei, dass mittels des Kreuz-Hall-Sensors die Erkennung der aktuellen Winkellage der Welle durchführbar ist und mittels des Wiegand-Sensors die Erkennung der absoluten Anzahl von Umdrehungen bestimmbar ist. Die mit den Sensoren verbundene, vorzugsweise auch auf der Leiterplatte vorgesehene Auswerteschaltung zur Auswertung der Sensorsignale ist auch aus dem Wiegand-Sensor versorgbar. Denn die Signale des Wiegand-Sensors enthalten jeweils derart viel Energie, dass die Auswerteschaltung oder zumindest ein Teil hiervon versorgbar ist. Dabei ist als Teil derjenige Teil wichtig, der ein Inkrementieren oder Dekrementieren eines Speicherinhaltes erlaubt, um die absolute Anzahl der Umdrehungen zu hinterlegen. Die Auswerteschaltung ist auch an einen Feldbus anschließbar, um die ermittelten Daten an weitere Feldbusteilnehmer zu übermitteln. Alternativ ist die Auswerteschaltung auch mit einer Umrichterelektronik verbindbar zur Berücksichtigung der ermittelten Winkelinformation beim Regeln des aus der Umrichterschaltung versorgten Elektromotors.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kreuz-Hall-Sensor axial mittig angeordnet auf der dem Dauermagnet zugewandten Seite der Leiterplatte, insbesondere wobei der Kreuz-Hall-Sensor in einer Ebene angeordnet ist, deren Normale parallel zur Wellenachse ausgerichtet ist, wobei zwei Hall-Sensoren des Kreuz-Hall-Sensors senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Bestimmung der Winkellage mit hoher Genauigkeit ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Normale der Leiterplatte parallel zur Wellenachse ausgerichtet. Von Vorteil ist dabei, dass eine Montage in einfacher Weise ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist auf der von dem Dauermagnet abgewandten Seite der Leiterplatte ein Wiegand-Sensor angeordnet, insbesondere wobei der Wiegand-Sensor, also Impulsdraht-Sensor, senkrecht zur Wellenachse ausgerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Erkennung der Anzahl der absoluten Umdrehungen der Welle ausführbar ist und/oder eine Versorgung der Auswerteschaltung oder zumindest eines Teils der Auswerteschaltung zur Auswertung der Sensorsignale aus dem Sensorsignal heraus ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest eines der Abschirmteile oder es sind die Abschirmteile plattenförmig oder eben ausgestaltet. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders kostengünstige Herstellung ermöglicht ist. Um eine dennoch gute Abschirmung zu erreichen wird die radiale Ausdehnung der Abschirmteile vorzugsweise größer oder sehr viel größer als die radiale Ausdehnung der Dauermagnete und/oder der Sensoren auf der Leiterplatte oder der Leiterplatte ausgeführt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Abschirmteile topfförmig ausgestaltet. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders effektive Abschirmung erreicht ist.
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Bevorzugs ist eine Ausgestaltung des ersten Abschirmelements mit einer Höhe des Topfes, welche die Höhe des Magtnetmaterials nicht übersteigt. Auf diese Weise entsteht nämlich ein Magnet und Schirmelement umfassendes Gebilde, das im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung überlappen die Abschirmteile in einem axialen Bereich, insbesondere wobei ein Spalt zwischen den Abschirmteilen im Wesentlichen sich axial und in Umfangsrichtung erstreckt. Von Vorteil ist dabei, dass eine Montage in axialer Richtung ausführbar ist.
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Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung sind die Abschirmteile in axial voneinander beabstandeten Bereichen angeordnet, insbesondere wobei ein Spalt zwischen den Abschirmteilen im Wesentlichen sich radial und in Umfangsrichtung erstreckt. Von Vorteil ist dabei, dass eine Montage in radialer Richtung ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das zweite Abschirmteil eine seitliche Öffnung auf, aus der die Leiterplatte herausragt, insbesondere wobei Anschlussvorrichtungen für elektrische Leitungen am herausragenden Teil der Leiterplatte angeordnet sind, insbesondere wobei die Anschlussvorrichtungen als Steckverbinderteile ausgeführt sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine wartungsfreundliche Schnittstelle geschaffen ist und ein einfaches Anschließen von elektrischen Leitungen ermöglicht ist. Insbesondere ist auch der im Topfinneren des zweiten Teils vorgesehene Teil der Leiterplatte mit Vergussmasse vergießbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Abschirmteile aus weichmagnetischem Material gefertigt. Von Vorteil ist dabei, dass eine effektive Abschirmung in einfacher und kostengünstiger Weise erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erste Abschirmteil an der Welle formschlüssig, insbesondere schraubverbunden. Von Vorteil ist dabei, dass eine zentral angeordnete Schraube die mittige, also wellenachsensymmetrische, Zentrierung ermöglicht. Die Festlegung in Umfangsrichtung erfolgt mittels eines in Umfangsrichtung formschlüssigen Verbindungsmittels, wie beispielsweise Nase, Kerbe, Nut oder dergleichen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung nimmt das erste Abschirmteil zumindest einen oder zwei Dauermagnete auf, wobei die Magnetisierungsrichtung in axialer Richtung oder entgegen der axialen Richtung vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine schnelle und einfache Montage zweier Dauermagnete ausführbar ist. Dabei sind die Dauermagnete mit hoher Feldstärke ausführbar. Weiterhin entstehen relativ hohe Feldstärken in einem axialen Abstand vom Magneten.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Dauermagnete auf gleichem nicht verschwindendem Radialabstand angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass bei der symmetrischen Anordnung der Dauermagnete nur wenige Winkelfehler verursacht werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am ersten Abschirmteil ein magnetisierbares Teil, insbesondere ein Neodym-Eisen-Bor- oder Ferrit-Partikel enthaltendes Kunststoffteil, angeordnet, dessen erster Teilbereich in axialer Richtung und dessen weiterer Teilbereich entgegen der axialen Richtung magnetisiert ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfach herstellbares erstes Abschirmteil mit eingespritztem oder eingestecktem Kunststoffkörper vorgesehen ist. Dabei ist die Magnetisierung des Kunststoffkörpers auch erst nach dem Einspritzen oder Einstecken ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der erste Teilbereich in einem ersten Winkelbereich in Umfangsrichtung, insbesondere 0° bis 180°, und der zweite Teilbereich in einem zweiten Winkelbereich in Umfangsrichtung, insbesondere 180° bis 360°. Von Vorteil ist dabei, dass nur geringe Winkelfehler bei der Bestimmung der Winkellage der Welle verursacht werden.
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Wichtige Merkmale bei dem Elektromotor mit einer vorbeschriebenen Anordnung sind, dass der Elektromotor einen Stator und/oder eine Bremsspule einer elektromagnetisch betätigbaren Bremse umfasst,
wobei der Stator und die Bremsspule auf der der Leiterplatte abgewandten Seite des ersten Abschirmteils angeordnet ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Anordnung nahe an der Bremse oder nahe am Stator anordenbar ist, obwohl dieses hohe Magnetfeldstärken erzeugen, die ohne Abschirmung zu Fehlsignalen führen könnten.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem eine Winkelsensoranordung von einem fast umschießenden magnetischem Abschirmgehäuse umgeben ist, wobei das Abschirmgehäuse aus einem ersten Abschirmteil 3 und einem zweiten Abschirmteil 1 zusammengesetzt ist.
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In der 2 ist eine Draufsicht auf das zweite Abschirmteil 1 gezeigt, so dass eine in dieses Abschirmteil 1 eingelegte Leiterplatte sichtbar ist.
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In der 3 ist zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem das Abschirmgehäuse aus zwei im Wesentlichen ebenen Abschirmteilen (30, 31) zusammengesetzt ist. Da störende magnetische Felder im Wesentlichen senkrecht aus den Schirmebenenaustreten, werden diese Felder in eine axiale Richtung gelenkt, in welcher die magnetfeldsensoren unempfindlich sind. Vorteilhaft ist ein geringer Abstand der Schirmelemente, beispielsweise kleiner als die doppelte Länge eines eines als Sensor eingesetzten Wieganddrahtes.
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In der 4 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem eine Winkelsensoranordung von einem umschließenden magnetischem Abschirmgehäuse umgeben ist, wobei das Abschirmgehäuse aus einem ersten Abschirmteil 3 und einem zweiten Abschirmteil 1 zusammengesetzt ist, so dass die Abschirmteile ineinander eingreifen.
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In der 5 ist eine symbolische Draufsicht auf das erste Abschirmteil (3, 31) gezeigt, wobei zwei oberflächenmagnetisierte Dauermagnete 4 gezeigt sind.
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In der 6 ist für eine zur 5 alternative Ausführung eine symbolische Draufsicht auf das erste Abschirmteil (3, 31) gezeigt, wobei statt der beiden Dauermagnete 4 ein Ferritteilchen enthaltender, entsprechend magnetisierter Körper 60 gezeigt ist, insbesondere wobei der Körper oberflächenmagnetisiert ist.
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In der 1 ist an dem axialen Ende der Welle 5, insbesondere die Welle eines Elektromotors, ein erstes topfförmiges Abschirmteil 3 vorgesehen. Vorzugsweise ist dieses Abschirmteil 3 rotationssymmetrisch ausgeführt. Im Abschirmteil 3, insbesondere auf dem Boden des Topfes, sind Dauermagnete vorgesehen. Vorzugsweise ist ein erster dieser Dauermagnete 4 in axialer Richtung und ein zweiter entgegen der axialen Richtung magnetisiert. Beide Dauermagnete weisen denselben Radialabstand zur Wellenachse auf.
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Das Abschirmteil 3 ist mit der Welle 5 schraubverbunden mittels der mittig zur Wellenachse angeordneten Schraube 8.
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Dem mit der Welle mitdrehbaren Abschirmteil 3 axial gegenüber stehend ist ein stationär angeordnetes topfförmiges zweites Abschirmteil 1 vorgesehen, das mit dem ersten Abschirmteil 3 zusammen im Wesentlichen ein geschlossenes Gehäuse bildet. Zwischen den beiden Abschirmteilen ist ein kleiner Spalt vorgesehen, um Berührung bei der Drehbewegung auszuschließen unter Berücksichtigung von thermisch bedingten Längenänderungen und Fertigungstoleranzen. Der Spalt erstreckt sich in radialer Richtung und in Umfangsrichtung, so dass die Abschirmteile in axialer Richtung einen Abstand zueinander aufweisen. Die Abschirmteile (1, 3) sind aus weichmagnetischem Material gefertigt und lenken somit magnetische Felder, die vom Raumbereich der Welle 5 her kommen oder direkt durch die aus Stahl ausgeführte Welle 5 herangeführt werden um die Sensoranordnung herum, wodurch eine abschirmende Wirkung erzielt wird.
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Die Sensoranordnung umfasst auch eine Leiterplatte 2, die mit elektronischen Bauelementen bestückt ist. An einem begrenzten Bereich am Umfang des zweiten Abschirmteils 1 ist eine Öffnung vorgesehen, so dass die Leiterplatte 2 nach Einlegen in den Aufnahmebereich des zweiten Abschirmteils 1 einerseits des Topfboden bedeckt und andererseits durch die Öffnung herausragt, so dass elektrische Anschlüsse zum Verbinden von elektrischen Leitungen von außen zugänglich sind.
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Auf der der Welle 5 zugewandten Seite der Leiterplatte 2 ist ein Kreuzhallsensor 6 befestigt. Dieser umfasst zwei senkrecht zur Achse der Welle ausgerichtete, in Umfangsrichtung senkrecht zueinander angeordnete Hall-Sensoren, so dass eine Erkennung der Winkellage, also der Winkelstellung der Welle 5, ausführbar ist. Außerdem ist auf der der Welle 5 abgewandten Seite der Leiterplatte 2 ist ein Wigandsensor 7 befestigt, so dass die Anzahl der Umdrehungen der Welle feststellbar ist. Dabei ist der Wiegandsensor 7 senkrecht zur Welle ausgerichtet.
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Auf diese Weise ist also eine Winkellagenerkennung ermöglicht, bei der einerseits die aktuelle Winkellage der Rotorwelle im Raum und außerdem die absolute Anzahl der Umdrehungen der Welle seit Start des Betriebs erkennbar ist.
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Die Normalenrichtung der Leiterplatte 2 ist parallel zur Wellenachse ausgerichtet.
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Die Abschirmteile bilden also sozusagen eine Haube oder ein Gehäuse, so dass von außen kommende Magnetfelder ableitbar sind vom Inneren der Haube beziehungsweise des Gehäuses. Somit ist die Anordnung zur Lageerkennung ungestört von äußeren Feldern. Diese sind insbesondere erzeugbar vom Stator eines Elektromotors, der die Anordnung umfasst, und/oder von einer Bremsspule einer elektromagnetisch betätigbaren Bremse des Elektromotors. Vorzugsweise sind diese felderzeugenden Komponenten auf der der Welle zugewandten Seite des ersten Abschirmteils angeordnet. Eine Kante der Haube beziehungsweise des Gehäuses ist nahe an der Kante der Dauermagnete angeordnet, so dass eine besonders wirksame Abschirmung erreichbar ist.
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Vorzugsweise endet der axial vom ersten Abschirmteil überdeckte Bereich an derselben axialen Position wie auch der von den Dauermagneten überdeckte Bereich.
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Wie in 2 gezeigt, ist die Leiterplatte 2 in das topfförmige zweite Abschirmteil 1 auf der der Welle 5 zugewandten Seite eingelegt. Die Befestigung der Leiterplatte 2 ist mittels Schraubverbindung oder Verguss gewährleistbar. An einer seitlichen Öffnung der Topfwandung des zweiten Abschirmteils 1 ist die Leiterplatte 2 herausgeführt und nimmt dort Anschlussvorrichtungen auf zur Verbindung von elektrischen Leitungen, die zu einem Umrichter oder einem Feldgerät führen. Diese Verbindung ist auch als Steckverbindung vorteilhaft ausführbar.
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Wie in 3 gezeigt, ist statt der topfförmigen Abschirmteile (1, 3) eine flache Ausführung der beiden Abschirmteile (30, 31) vorteilhaft. Somit ist eine kostengünstigere Herstellung der Anordnung erzielbar. Auf diese Weise werden die von der Wellenseite her kommenden Felder im Wesentlichen in radiale Richtung umgelenkt, also von der Anordnung in radialer Richtung weg.
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Wie in 4 gezeigt, sind bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Abschirmteile topfförmig ähnlich zu 1 ausgeführt. Dabei überlappen die Abschirmteile (1, 3) in einem axialen Bereich. Somit ist eine verbesserte Abschirmwirkung erzielbar. Der Luftspalt zwischen den Abschirmteilen ist hierbei auf einem Radialabstand vorgesehen und erstreckt sich in Umlaufrichtung.
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5 zeigt für die vorgenannten Ausführungsbeispiele nach den 1 bis 4 eine erste Anordnung von Dauermagneten 4, die auf einem nicht verschwindenden Radialabstand zur Wellenachse angeordnet sind und in axialer Richtung beziehungsweise entgegen der axialen Richtung magnetisiert sind. Die Dauermagnete 4 sind am Topfboden des Abschirmteils 3 befestigt.
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Alternativ zur 5 ist auch eine Dauermagnetische Anordnung nach 6 vorteilhaft. Hierbei wird ein Magnetkörper, wie beispielsweise ein Kunststoffkörper mit eingemischten Ferritteilchen, vorsehbar, der in einem ersten Winkelbereich in Umfangsrichtung in axialer Richtung magnetisiert ist und in einem restlichen Winkelbereich entgegen der Umfangsrichtung magnetisiert ist. Der Kunststoffkörper ist entweder eingespritzt oder eingesetzt in das erste Abschirmteil.
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Die Topfwand, also Seitenwandung des Topfes, ist auch als Kragen bezeichenbar.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist das zweite Abschirmteil samt Leiterplatte und Sensoren als Einheit entnehmbar oder einführbar in ein Gehäuse eines Elektromotors. Auf diese Weise ist ein Elektromotor mit Erfassungssystem für die Rotorwellenwinkellage herstellbar, wobei das erste Abschirmteil mit Dauermagnetmaterial gemäß den Figuren ausgeführt ist.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist das erste Abschirmteil eine Nut oder eine Kerbe auf, so dass die Winkellage bei Montage an der Welle eindeutig festlegbar, indem die Welle eine entsprechende Erhebung aufweist.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist das zweite Abschirmteil an seiner Seitenwandung mit mehreren voneinander beabstandeten Ausnehmungen, insbesondere kammförmigen Ausnehmungen, ausgeführt, so dass Stifte oder Flächensegmente der Leiterplatte durch die Ausnehmungen herausragen. Auf diese Weise sind wiederum Anschlussvorrichtungen zum Anschließen weiterer elektrischer Leitungen anbringbar, wie beispielsweise auch Steckverbinderteile. Es sind aber auch weitere elektronische Bauelemente auf den herausragenden Bereichen anordenbar.
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Das erste Abschirmteil hat bei allen Ausführungsbeispielen vorzugsweise die Gestalt eines Rotationskörpers.
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Das zweite Abschirmteil hat bei allen Ausführungsbeispielen vorzugsweise die Gestalt eines Rotationskörpers mit Ausnahme der Öffnungen oder Ausnehmungen.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist das zweite Abschirmteil samt Leiterplatte mit Sensoren in einer Richtung, die senkrecht zur Wellenachse liegt, verschiebbar angeordnet, so dass eine Montage aus dieser Richtung heraus ermöglicht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zweites Abschirmteil, insbesondere weichmagnetisches zweites Abschirmteil
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Erstes Abschirmteil, insbesondere weichmagnetisches erstes Abschirmteil
- 4
- Dauermagnet
- 5
- Welle, insbesondere Rotorwelle
- 6
- Kreuzhallsensor
- 7
- Wiegandsensor
- 8
- Schraube
- 30
- Zweites Abschirmteil, insbesondere weichmagnetisches zweites Abschirmteil
- 31
- Erstes Abschirmteil, insbesondere weichmagnetisches zweites Abschirmteil
- 60
- Kunststoffkörper mit eingebettetem magnetisierbarem Material, wie beispielsweise Ferritteilchen, Neodym-Bor-Eisen-Partikeln oder dergleichen
