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Die Erfindung betrifft eine Schwenkwinkelsensoranordnung, insbesondere zum Erfassen einer Verschwenkbewegung oder Verschwenkposition einer verschwenkbaren Schrägscheibe einer Hydromaschine.
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In dem Dokument
DE 103 54 477 A1 ist eine derartige Schwenkwinkelsensoranordnung für eine verschwenkbare Hydromaschine offenbart. Als Schwenkwinkelsensor wird ein in einem Sensorgehäuse eingesetzter Hall-Sensor verwendet. Das Sensorgehäuse taucht dabei in eine Aussparung einer Schwenkwiege bzw. Schrägscheibe der Hydromaschine ein, erstreckt sich entlang einer Schwenkachse und durchsetzt ein Gehäuse der Hydromaschine. Im in die Schwenkwiege eingetauchten Abschnitt des Sensorgehäuses ist der Hall-Sensor in Form eines Halbleiterchips angeordnet. Der eingetauchte Abschnitt des Sensorgehäuses wird von in die Schwenkwiege eingesetzten Permanentmagneten umgriffen. Eine Schwenkbewegung der Schwenkwiege um die Schwenkachse führt somit zu einem Verschwenken der Permanentmagneten, was von dem Hall-Sensor erfasst wird und beispielsweise zu einer Electronic-Control-Unit gemeldet wird.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass die abschnittsweise Aufnahme des Sensorgehäuses in der Schrägscheibe einen hohen vorrichtungstechnischen Aufwand erfordert und somit recht kostenintensiv in der Herstellung ist.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Schwenkwinkelsensoranordnung zu schaffen, die vorrichtungstechnisch einfach und kostengünstig aufgebaut ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schwenkwinkelsensoranordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Erfindungsgemäß weist eine Schwenkwinkelsensoranordnung zum Erfassen einer Schwenkbewegung und/oder Schwenkposition einer verschwenkbaren Schrägscheibe einer Hydromaschine einen an einem Gehäuse der Hydromaschine angeordneten Schwenkwinkelnehmer auf. Dieser erfasst eine Drehbewegung und/oder eine Drehposition eines Schwenkwinkelgebers. Dieser steht magnetisch mit der Schrägscheibe in Wirkverbindung. Eine Schwenkbewegung der Schrägscheibe führt dabei zu einer Drehbewegung des Schwenkwinkelgebers, die wiederum von dem Schwenkwinkelnehmer erfasst wird.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass der Schwenkwinkelgeber und die Schrägscheibe nicht direkt gekoppelt oder mechanisch verbunden sind, sondern berührungslos über Magnetkräfte in Wirkverbindung stehen. Der vorrichtungstechnische Aufwand ist hierdurch vermindert, da beispielsweise eine Aufnahme eines Sensorgehäuses, wie im eingangs erläuterten Stand der Technik, in der Schrägscheibe nicht mehr notwendig ist.
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Um beispielsweise eine kompakte Aufbau der Schwenkwinkelsensoranordnung zu ermöglichen, sind der Schwenkwinkelnehmer und der Schwenkwinkelgeber in einem gemeinsamen Sensorgehäuse angeordnet. Ein derartiges Sensorgehäuse kann auch mit geringem vorrichtungstechnischem Aufwand nachträglich an dem Gehäuse der Hydromaschine nachgerüstet werden.
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Eine magnetische Verbindung des Schwenkwinkelgebers mit der Schrägscheibe erfolgt vorzugsweise durch ein an einer Sensorachse des Schwenkwinkelgebers angeordnetes magnetisches Drehelement, das wiederum mit einem mit der Schrägscheibe verbundenen magnetischen Wiegenelement in Wirkverbindung steht.
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Mit Vorteil ist zumindest das Drehelement oder das Wiegenelement ein kostengünstiger Permanentmagnet.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Schwenkwinkelnehmer und der Schwenkwinkelgeber in einer gemeinsamen Sensorachse angeordnet. Diese erstreckt sich etwa koaxial oder parallel versetzt zu einer Schwenkachse der Schrägscheibe. Damit lässt sich die Drehbewegung einfach übertragen.
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Bevorzugterweise sind die Sensorachse und das Drehelement in dem Sensorgehäuse angeordnet.
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Das Drehelement und das Wiegenelement können etwa in oder symmetrisch zur Sensorachse angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise ist das Wiegenelement derart mit der Schrägscheibe verbunden, dass eine Schwenkbewegung der Schrägscheibe zu einer Drehbewegung des Wiegenelements führt. Das Wiegenelement bewegt sich dabei in einer etwa senkrecht zur Sensorachse sich erstreckenden Wiegenebene.
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Das Wiegenelement ist beispielsweise entlang der Achse benachbart vom Drehelement oder das Drehelement zumindest abschnittsweise umgreifend angeordnet.
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Vorzugsweise ist das Drehelement länglich ausgestaltet, um bei einer Schwenkbewegung des Wiegenelements, also bei einer Änderung des Magnetfelds sich ähnlich wie ein Kompasszeiger entsprechend neu ausrichtet, wobei durch die längliche Form ein größeres Drehmoment erzeugt werden kann.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer Längsschnittansicht eine Hydromaschine mit einer Schwenkwinkelsensoranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 in einer schematischen Darstellung die Schwenkwinkelsensoranordnung aus 1;
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3 in einer schematischen Darstellung die Schwenkwinkelsensoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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4 in einer schematischen Darstellung die Schwenkwinkelsensoranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
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5 in einer schematischen Darstellung die Schwenkwinkelsensoranordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
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6a in einer schematischen Darstellung die Schwenkwinkelsensoranordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
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6b in einer schematischen Draufsicht ein Drehelement und ein Wiegenelement der Schwenkwinkelsensoranordnung aus 6a in zwei verschiedenen Positionen;
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7 in einer Seitenansicht eine Schwenkwinkelsensoranordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
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8 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A durch die Schwenkwinkelsensoranordnung aus 7; und
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9 in einer Längsschnittansicht die Hydromaschine mit einer Schwenkwinkelsensoranordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In 1 ist eine Längsschnittansicht einer verschwenkbaren Hydromaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Schwenkwinkelsensoranordnung 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Mit dieser ist die Schwenkbewegung oder Position einer Schrägscheibe 4 bzw. Schwenkwiege der Hydromaschine 1 erfassbar und beispielsweise an eine Electronic-Control-Unit übermittelbar.
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Eine derartige Hydromaschine 1 ist beispielsweise aus dem Datenblatt RD 92703 der Anmelderin bekannt, weswegen der Einfachheit halber im Folgenden nur knapp Aufbau und Funktion der Hydromaschine 1 beschrieben sind. Für weitergehende Informationen wird auf das genannte Datenblatt verwiesen.
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Die Hydromaschine 1 weist ein topfförmiges Gehäuse 6 auf, das von einem Gehäusedeckel 8 dichtend verschlossen ist. Etwa koaxial zu einer Längsachse 10 des Gehäuses 6 ist eine Triebwelle 12 angeordnet, die auf einem ersten in dem Gehäuse 6 links in 1 angeordneten Wälzlager 14 und einem zweiten im Gehäusedeckel 8 angeordneten Wälzlager 16 drehbar gelagert ist. Auf der Triebwelle 12 ist über eine Keilwellenverzahnung 18 eine Zylindertrommel 20 angeordnet, die über eine sich an der Triebwelle 12 abstützenden Schraubenfeder 24 mit einer in der 1 rechten Stirnseite gegen eine zwischen der Zylindertrommel 20 und dem Gehäusedeckel 8 angeordneten Schlitzsteuerplatte 22 gespannt ist. In die Zylindertrommel 20 sind Zylinderbohrungen 26 eingebracht, in denen jeweils ein Kolben 28 gleitend geführt ist. Die Zylinderbohrungen 26 sind etwa parallel zur Drehachse der Triebwelle 12 ausgerichtet und haben untereinander und gegenüber der Drehachse jeweils einen im Wesentlichen konstanten Abstand. Die Kolben 28 stützen sich jeweils über gelenkig mit diesen verbundenen Kolbenschuhen 30 an der schwenkbaren Schrägscheibe 4 gleitgelagert ab.
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Die Schrägscheibe 4 ist drehstarr gegenüber der Triebwelle 12 im Gehäuse 2 schwenkbar gelagert. Eine Schwenkachse 32 der Schrägscheibe 4 schneidet die Längsachse 10 der Triebwelle 12 etwa senkrecht. Die Abstützung der Schrägscheibe 4 im Gehäuse 2 hat die Form einer gleitgelagerten Wiegenlagerung. Hierfür sind an einer in der 1 linken Rückseite der Schrägscheibe 4 zwei Zylinderscheibensegmente 34 ausgebildet, die im Gehäuse 2 an zwei ortsfest angeordneten Gleitlagerschalen 36 anliegen.
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In einer etwa im Parallelabstand zur Längsachse 10 der Triebwelle 12 und etwa senkrecht zur Schwenkachse 32 sich erstreckenden Wiegenebene ist an einer in der 1 oberen Außenmantelfläche 38 der Schrägscheibe 4 ein Halteelement 40 über eine Schraubverbindung an dieser befestigt. Dieses erstreckt sich etwa in der Wiegenebene bis etwa zur Schwenkachse 32.
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Etwa parallel zur Schwenkachse 32 ist in die Haltplatte 40 eine Durchgangsbohrung eingebracht, in die ein Permanentmagnet 42 als Wiegenelement eingesetzt ist. Dieser dient zur berührungslosen Übertragung einer Schwenkbewegung der Schrägscheibe 4 an ein mit einem Schwenkwinkelgeber der Schwenkwinkelsensoranordnung 2 verbundenes Drehelement, was nachfolgend in der 2 näher erläutert ist. Gegenüberliegend der Halteplatte 40 mit dem Permanentmagneten 42 ist in der Schwenkachse 32 ein Sensorgehäuse 44 von Außen in eine Bohrung des Gehäuses 2 der Hydromaschine 1 eingesetzt.
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Die Hydromaschine 1 ist als Hydropumpe oder Hydromotor einsetzbar. Im Folgenden soll der Einsatz der Hydromaschine 1 als Hydropumpe kurz erläutert werden. Die Triebwelle 12 dient hierbei als Antriebswelle, die sich in der in 1 eingezeichneten Drehrichtung 45 bewegt und die Zylindertrommel 20 mit dem darin geführten Kolben 28 mitdreht. Die Kolben 28 saugen bei entsprechen verschwenkter Schrägscheibe 4 – ist in 1 in Neutralstellung – über in der Schlitzsteuerplatte 22 eingebrachte Nieren Druckmittel über einen Saugkanal 46 an und fördern dieses zu einem Druckkanal 48.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung die Schwenkwinkelsensoranordnung 2 aus 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Permanentmagnet 42 ist dabei allerdings nicht in einer Bohrung der Haltplatte 40 wie in 1 befestigt sondern auf einer dem Sensorgehäuse 44 zugewandten Haltefläche 50 der Halteplatte 40 mit entsprechenden Befestigungsmittel fixiert.
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Das Sensorgehäuse 44 ist etwa topfförmig mit einem am vom Permanentmagnet 42 wegweisenden Endabschnitt ausgebildeten Radialbund 52 ausgestaltet. Das Sensorgehäuse 44 ist in eine Durchgangsbohrung 54 des Gehäuses 6 eingesetzt und liegt mit dem Radialbund 52 an einer Außenmantelfläche des Gehäuses 6 etwa an. Auf den Radialbund 52 ist ein Gehäuseabschnitt 56 mit einem darin angeordneten Schwenkwinkelgeber und Schwenkwinkelnehmer gesetzt. Bei dem Schwenkwinkelgeber handelt es sich im Vergleich zum Permanentmagneten 42 um kleine Permanentmagneten, die den als Hall-Sensor ausgebildeten Schwenkwinkelnehmer umgreifen. Eine genauere Erläuterung hierzu findet sich untenstehend in 7.
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Das Sensorgehäuse 44 und der Gehäuseabschnitt 56 sind gemeinsam über nicht dargestellten Befestigungsmittel 58 (beispielsweise Schrauben) an dem Gehäuse 2 befestigt. Das Sensorgehäuse 44 ist dicht gegenüber einem vom Gehäuse 6 begrenzten Innenraum der Hydromaschine 1 abgeschlossen.
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Der Schwenkwinkelgeber ist an einer sich etwa koaxial zur Schwenkachse 32 (siehe auch 1) sich erstreckende und in dem Sensorgehäuse 44 drehbar gelagerten Sensorachse 60 befestigt. An einer dem Permanentmagneten 42 zuweisenden Stirnfläche der Sensorachse 60 ist ein als beispielsweise Stab- oder Rundmagnet ausgebildeter Permanentmagnet 62 als Drehelement symmetrisch angeordnet, dessen Nord-Südpolachse sich etwa senkrecht zur Schwenkachse 32 erstreckt. Der Permanentmagnet 62 ist magnetisch mit dem Permanentmagneten 42 in Wirkverbindung und entsprechend den Magnetfeldlinien des Permanentmagneten 42 ausgerichtet.
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Bei einer Verschwenkung der Schrägscheibe 4 aus 1 wird der Permanentmagnet 42 in 2 in der sich etwa senkrecht zur Zeichenebene und zur Schwenkachse 32 erstreckenden Wiegenebene etwa um die Schwenkachse 32 herum gedreht. Eine Drehbewegung des Permanentmagneten 42 führt zu einer Drehbewegung des Permanentmagneten 62 der Sensorachse 60, der sich entsprechend der Magnetfeldlinien des Permanentmagneten 42 ausrichtet. Durch die Drehbewegung des Permanentmagneten 62 führt der im Gehäuseabschnitt 56 angeordnete und mit der Sensorachse 60 verbundene Schwenkwinkelgeber (Permanentmagnet) ebenfalls eine entsprechende Drehbewegung aus. Die Drehbewegung des Schwenkwinkelgebers wird dann von dem Schwenkwinkelnehmer (Hall-Sensor) erfasst. Somit wird eine Schwenkbewegung der Schrägscheibe 4 aus der 1 berührungslos vom Permanentmagneten 42 auf den Permanentmagneten 62 übertragen und von diesem mechanisch über die Sensorachse 60 auf den Schwenkwinkelnehmer.
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3 stellt in einer einfachen schematischen Darstellung die Schwenkwinkelsensoranordnung 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dar. Anstelle eines einzelnen auf der Halteplatte 40 angeordneten Permanentmagneten 24 wie in 2, sind in der 3 zwei Permanentmagneten 64, 66 auf dieser angeordnet. Diese sind zueinander beabstandet, wobei die Nord-Südpolachsen etwa koaxial zueinander verlaufen. Mittig der beiden Permanentmagneten 64 und 66 ist der Permanentmagnet 62 der Sensorachse 60 angeordnet. Diese ist entsprechend der Magnetfeldlinien der Permanentmagneten 64, 66 ausgerichtet. Die Permanentmagneten 64 und 66 weisen den im Wesentlichen gleichen Abstand zur Schwenkachse 32 auf und sind zum Sensorgehäuse 44 beabstandet.
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Das Funktionsprinzip entspricht dem aus 2, wobei bei einer Schwenkbewegung der Schrägscheibe 4 aus 1 die Permanentmagneten 64, 66 über die mit der Schrägscheibe 4 verbundene Halteplatte 40 um die Schwenkachse 32 herum gedreht werden und sich der Permanentmagnet 62 zusammen mit der Sensorachse 60 und dem Schwenkwinkelgeber mitdreht.
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4 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung eine Schwenkwinkelsensoranordnung 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Anstelle des Permanentmagneten 62 aus 2 ist an der Sensorachse 60 ein Drehelement in Form eines Drehstabs 68 angeordnet. Dieser besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff, wie beispielsweise Eisen, Nickel oder Kobalt, und richtet sich entsprechend wie ein Kompasszeiger etwa entlang der Magnetfeldlinien des auf der Haltplatte 40 angeordneten Permanentmagneten 42 aus. Bei einer Schwenkbewegung des Permanentmagneten 42 führt der Drehstab 68 somit eine Drehbewegung zusammen mit der Sensorachse 60 aus. Ein derartiger Drehstab 68 ist kostengünstiger als ein Permanentmagnet 62 aus den 2 und 3.
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In 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Schwenkwinkelsensoranordnung 2 in einer vereinfachten schematischen Darstellung dargestellt. Der Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel aus 3 liegt darin, dass der Permanentmagnet 62 durch den Drehstab 68 aus der 4 ersetzt ist, der zwischen den Permanentmagneten 64, 66 angeordnet ist.
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In 6a ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der Schwenkwinkelsensoranordnung 2 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Dieses unterscheidet sich zum ersten Ausführungsbeispiel aus 2 dadurch, dass der auf der Halteplatte 40 befestigte Permanentmagnet 42 durch ein ferromagnetisches Wiegenelement 70 ersetzt ist. Das Wiegenelement 70 ist schichtweise aufgebaut, was in der 6b ersichtlich ist.
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Die 6b zeigt das Wiegenelement 70 und den Permanentmagneten 62 aus der 6a in zweivereinfachten Draufsichten. Das Wiegenelement 70 hat hierbei mehrere aus einem ferromagnetischen Material bestehende und parallel zueinander angeordnete Magnetschichten 72, die jeweils Isolationsschichten 74 voneinander getrennt sind. Mit den Bezugszeichen 72, 74 in der 6b sind exemplarisch nur ein Wiegenelement 70 und eine Magnetschicht 72 gekennzeichnet. Die Schichten erstrecken sich dabei jeweils etwa parallel zur Längsachse des länglichen Wiegenelements 70 und etwa senkrecht zur Zeichenebene in der 6b. Etwa in der Zeichenebene liegt dabei etwa die vorstehend erläuterte Wiegenebene.
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In der oberen Abbildung der 6b ist der Permanentmagnet 62 etwa mittig von dem Wiegenelement 70 und die Sensorachse 60 in den 6a und 6b ist im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen exzentrisch zur Schwenkachse 32 angeordnet. Eine Schwenkbewegung der Schrägscheibe 4 aus der 1 führt somit zu einer Verschwenkung des Wiegenelements 70 um die Schwenkachse 32, was in der unteren Abbildung der 6b ersichtlich ist. Die axiale Länge und die Breite des Wiegenelements 70 ist derart gewählt, dass im jedem Schwenkwinkel a der Schwenkbewegung der Schrägscheibe 4 der Permanentmagnet 62 in der 6b vollständig oberhalb des Wiegenelements 70 liegt.
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Bei einer Schwenkbewegung bzw. bei einer neuen Schwenkposition des Wiegenelements 70 wirkt auf den Permanentmagneten 62 eine Drehkraft, womit dieser etwa proportional zur Schwenkbewegung eine Drehbewegung ausführt. Die Drehung des Permanentmagneten 62 führt zu einer Drehung der Sensorachse 60 aus der 6a.
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In der unteren Abbildung der 6b ist der Permanentmagnet 62 in einer Drehposition gezeigt, in der eine Drehkraft durch die Verschwenkung des Wiegenelements 70 auf ihn wirkt und er sich anschließend derart in der 6b im Uhrzeigersinn drehen würde, dass die Längsachse des Permanentmagneten 62 und seine Längsachse etwa parallel verlaufen.
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7 offenbart die Schwenkwinkelsensoranordnung 2 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Der Gehäuseabschnitt 56 ist hierbei direkt auf das Gehäuse 6 der Hydromaschine 1 aus 1 gesetzt. Ein topfförmiges Sensorgehäuse 44 wie in den 2 bis 6a ist nicht vorgesehen. In einer Ausbruchsdarstellung des Gehäuseabschnitts 56 ist der Schwenkwinkelgeber in Form zweier Permanentmagneten 76 und 77 ausgebildet. Die Permanentmagneten 76, 77 sind in einem einen etwa kreiszylindrischen Querschnitt aufweisenden topfförmigen Lagerelement 80 aufgenommen, das drehbar in dem Gehäuseabschnitt 56 gelagert ist. In das etwa koaxial zur Schwenkachse 32 angeordnete Lagerelement 80 taucht ein zylinderförmiger aus dem Gehäuseabschnitt 56 auskragender Vorsprung ein, in dem der Schwenkwinkelnehmer in Form eines Hall-Sensors 78 angeordnet ist. Dieser ist dabei im Wesentlichen mittig der beiden Permanentmagneten 76, 77 angeordnet.
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Eine Bodenfläche 82 des topfförmigen Lagerelements 80 ist mittig etwa koaxial zur Drehachse der Permanentmagneten 76, 77 und zur Sensorachse 32 von einer Schraube 84 durchsetzt. Diese stützt sich mit einem Schraubenkopf an der Bodenfläche 82 ab und kragt in der 7 nach unten aus. An der Schraube 84 ist dann der Permanentmagnet 62 oder der Drehstab 68 aus den 2, 3, 4, 5 oder 6 befestigbar, wobei die Schraube 84 die Sensorachse 60 bildet.
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In der 8 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A durch den Gehäuseabschnitt 56 aus der 7 offenbart. Hierbei ist zum Einen der kreiszylindrische Querschnitt des Lagerelements 80 und zum Anderen der etwa rechteckförmige Querschnitt der Permanentmagneten 76, 77 erkennbar.
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9 zeigt die Hydromaschine 1 mit der Schwenkwinkelsensoranordnung 2 aus der 7. In der Halteplatte 40 ist dabei etwa koaxial zur Schwenkachse 32 eine Durchgangsbohrung mit einem eingesetzten Magnetring 86 eingebracht. In diesen taucht dann das an der Schraube 84 befestigte Drehelement in Form eines Permanentmagneten 62 oder Drehstabs 68 ein.
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Offenbart ist eine Schwenkwinkelsensoranordnung zum Erfassen einer Schwenkbewegung und/oder Schwenkposition einer Schrägscheibe einer verschwenkbaren Hydromaschine. Diese hat ein Gehäuse an der ein Schwenkwinkelnehmer angeordnet ist, der eine Drehbewegung und/oder Position eines Schwenkwinkelgebers erfasst. Der Schwenkwinkelgeber steht mit der Schrägscheibe magnetisch derart in Wirkverbindung, dass eine Schwenkbewegung der Schrägscheibe zu einer Drehbewegung des Schwenkwinkelgebers führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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