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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, die einen Magnetsensor, insbesondere zur Detektion für eine Rotorlage, verwenden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zum Abschirmen des Magnetsensors vor Einflüssen des Stator- und des Rotormagnetfelds.
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Stand der Technik
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Zum Betreiben von elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Synchronmaschinen und dergleichen, ist eine Kenntnis der aktuellen Lage eines Rotors erforderlich. Abhängig von der Ausrichtung eines von der Rotorlage abhängigen Rotormagnetfelds wird ein in Bewegungsrichtung bezüglich eines Rotormagnetfelds voreilendes Statormagnetfeld erzeugt, um ein Antriebsmoment bereitzustellen.
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Die aktuelle Rotorlage kann beispielsweise mithilfe eines an einer Rotorwelle des Rotors angeordneten Magnetsensors erfasst werden. Herkömmliche Magnetsensoren weisen in der Regel einen magnetfeldempfindlichen Sensor, wie z. B. einen Hall-Sensor, einen GMR-Sensor oder dergleichen, auf. Weiterhin ist der magnetfeldempfindliche Sensor in einer Anordnung angebracht, durch die ein Magnetfeld, das den magnetfeldempfindlichen Sensor beaufschlagt, abhängig von der Rotorlage des Rotors veränderlich ist. Insbesondere wird dazu ein Geberrad an der Rotorwelle angebracht. Die Magnetfeldveränderung wird durch den magnetfeldempfindlichen Sensor detektiert und in geeigneter Weise als Rotorlageinformation bereitgestellt.
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Der Rotor einer elektrischen Maschine wird infolge des vom Stator erzeugten Statormagnetfelds in Rotation versetzt, wobei die Magnetfeldstärke im Luftspalt zwischen Stator und Rotor mehrere Tesla betragen kann. Insbesondere an den Stirnseiten treten diese Magnetfelder als Streumagnetfelder aus dem Luftspalt aus, wobei deren Feldstärke in Abhängigkeit vom Abstand abnimmt. Die Streufelder können sich in die häufig aus weichmagnetischem Material ausgebildete Rotorwelle einkoppeln und sich im Bereich des Magnetsensors auswirken.
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Zudem werden durch die Magnetfelder in dem Rotorkörper des Rotors Spannungen induziert, die zu Wirbelströmen führen. Die Wirbelströme können sich über die in der Regel ebenfalls elektrisch leitfähig ausgebildete Rotorwelle bis zu dem Bereich des Magnetsensors hin erstrecken und dort Magnetfelder bewirken.
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Somit können sowohl die Streumagnetfelder aus dem Luftspalt als auch Magnetfelder, die durch in der Rotorwelle erzeugte Wirbelströme hervorgerufen werden, auf den Magnetsensor einwirken. Sind die so bewirkten Einflüsse im Bereich des Magnetsensors zu groß, so kann dieser in seiner Funktion gestört und die Erfassung der Rotorlage ungenau oder fehlerhaft werden. Dadurch kann das Betreiben der elektrischen Maschine erheblich beeinträchtigt werden, da die Erzeugung des Statormagnetfelds von einer Kenntnis der exakten Rotorlage abhängt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 040 857 A1 ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor mit abgeschirmtem Rotorpositionssensor bekannt. Zur Abschirmung ist eine Rotorwelle mit einem becherförmigen Sensormantel gekoppelt, an dessen innerer Mantelfläche sich Sensormagnete befinden. In den Hohlraum des Abschirmblechs ragen Rotorpositionssensoren, die bei einer Drehung des becherförmigen Abschirmblechs mit der Rotorwelle mit einem von der Rotorposition abhängigen Magnetfeld beaufschlagt werden und so eine entsprechende Rotorinformation bereitstellen können.
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Es können weiterhin Magnetsensoren in der Nähe des mit Permanentmagneten versehenen Rotors angeordnet werden, wobei Statorwicklungen zur Erzeugung eines Statormagnetfelds mithilfe einer magnetischen Abschirmung, die zwischen den Statorwicklungen und dem Magnetsensor angeordnet ist, versehen sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zu gewährleisten, dass eine Detektion durch einen Magnetsensor in einer elektrischen Maschine möglichst nicht von störenden, aus dem Betrieb der elektrischen Maschine resultierenden Magnetfeldern beeinträchtigt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Magnetsensor zur Verwendung in einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Lageerfassung einer Rotoranordnung der elektrischen Maschine, gemäß Anspruch 1, eine Anordnung des Magnetsensors an der Rotorwelle sowie eine elektrische Maschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Magnetsensor zur Verwendung an einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine vorgesehen, umfassend:
- – mindestens ein Sensorelement zum Erfassen eines Magnetfelds und zum Bereitstellen eines Sensorsignals;
- – mindestens einen Permanentmagneten zum Bereitstellen eines Sensormagnetfelds; und
- – ein Geberrad, das eine magnetisch aktive Strukturierung zum Beeinflussen des Sensormagnetfelds aufweist und mit einem Haltebereich zum Aufbringen auf einer Rotorwelle ausgebildet ist,
wobei das Geberrad zwischen dem Haltebereich und der magnetisch aktiven Strukturierung, insbesondere vollumfänglich, magnetisch nicht leitend ausgebildet ist.
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Eine Idee des obigen Magnetsensors besteht darin, magnetisch wirksame Strukturen eines Geberrads vor einer Einkopplung von magnetischen Einflüssen abzuschirmen, die durch aus dem Betrieb der elektrischen Maschine resultierende parasitäre Magnetfelder, nämlich aus dem Statormagnetfeld, dem Rotormagnetfeld oder aufgrund von Wirbelströmen generierten Magnetfeldern, verursacht werden. Da die Rotorwelle aus Gründen der Festigkeit häufig aus einem magnetisch und elektrisch leitenden Material ausgebildet ist, insbesondere aus Stahl, können die parasitären Magnetfelder auch bei einer geeigneten Abschirmung einer Statoranordnung und Rotoranordnung der elektrischen Maschine über die Rotorwelle zu dem daran angeordneten Magnetsensor gelangen. Die Empfindlichkeit des Magnetsensors ist sehr hoch. So können bereits parasitäre Magnetfelder geringer Feldstärke auf das Sensorelement des Magnetsensors einwirken und zu Störungen der Erfassung der Rotorlage führen. Um den Magnetsensor von diesen parasitären Magnetfeldern abzuschirmen, ist daher vorgesehen, eine magnetische und elektrische Isolation zwischen den magnetisch wirksamen Strukturen des Geberrads und der Rotorwelle vorzusehen.
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Insbesondere bei Verwendung einer Lagerung für die Rotorwelle aus einem magnetisch nicht oder schwach leitenden Material ist ein magnetischer Ringschluss über ein Gehäuse, das die Statoranordnung und die Rotoranordnung der elektrischen Maschine umfasst, nicht mehr gegeben. Somit können parasitäre Magnetfelder nicht über das Gehäuse abgeleitet werden und gelangen über die Rotorwelle in axialer Richtung in einen Bereich außerhalb des Gehäuses. Da ein Magnetsensor zur Rotorlageerfassung üblicherweise in diesem Bereich angeordnet wird, kann dieser dadurch vor einem Einfluss der parasitären Magnetfelder geschützt werden, so dass keine Beeinträchtigung der Funktion erfolgt.
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Weiterhin kann ein Isolationsbereich zwischen dem Haltebereich und der magnetisch aktiven Strukturierung vorgesehen sein, wobei auf dem Außenumfang des Isolationsbereichsbereichs Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit ausgebildet sind.
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Insbesondere können die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit ein ringförmiges Geberelement aus magnetisch leitendem Material mit radial vorstehenden Abschnitten aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit mit einem ringförmigen Geberelement aus Ringsegmenten unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit ausgebildet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit durch voneinander beabstandete Bereiche mit in ein magnetisch nicht leitendes ringförmiges Geberelement eingebrachtem magnetisch leitendem Material, insbesondere in Form von Partikeln aus einem weichmagnetischen Material, ausgebildet sein.
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Weiterhin können das ringförmige Geberelement und der Isolationsbereich einstückig ausgebildet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Anordnung des obigen Magnetsensors an einer Rotorwelle vorgesehen, wobei der Magnetsensor mit dem Haltebereich an der Rotorwelle anliegt.
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Gemäß einem weitern Aspekt ist eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – eine Statoranordnung;
- – eine Rotoranordnung, die drehbeweglich und über einen Luftspalt von der Statoranordnung beabstandet angeordnet ist;
- – ein Gehäuse, das die Statoranordnung und die Rotoranordnung umgibt;
- – eine Rotorwelle, die die Rotoranordnung trägt und in dem Gehäuse gelagert ist; und
- – den obigen Magnetsensor, der an der Rotorwelle angeordnet ist.
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Weiterhin kann die Rotorwelle durch ein magnetisch nicht leitendes oder schwach leitendes Lager an dem Gehäuse gelagert sein, wobei der Magnetsensor an einem Abschnitt der Rotorwelle angeordnet ist, der bezüglich des Lagers der Rotoranordnung gegenüberliegt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der magnetische Widerstand zwischen dem Haltebereich und der magnetisch aktiven Strukturierung des Geberrads größer ist als der über das Lager wirkende magnetische Widerstand zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsdarstellung durch eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine mit einem Magnetsensor zur Erfassung einer Rotorlage der elektrischen Maschine;
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2 eine Querschnittsansicht durch ein Geberrad für den Magnetsensor;
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3 eine Querschnittsansicht durch ein weiteres Geberrad für den Magnetsensor; und
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4 eine Querschnittsansicht durch ein weiteres Geberrad für den Magnetsensor.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine 1 gezeigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die elektrische Maschine einer Synchronmaschine.
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Die elektrische Maschine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine kreiszylindrische Statoranordnung 3 angeordnet ist. Die Statoranordnung 3 umfasst Statorzähne 31 und ein kreiszylinderförmiges Statorjoch 32, von dem ausgehend die Statorzähne 31 nach innen abstehend angeordnet sind. Die Statorzähne 31 sind einzeln oder in Gruppen von einer oder mehreren Statorspulen 33 umgeben, die mithilfe einer nicht gezeigten Leistungselektronik gemäß einem Kommutierungsschema bestrombar sind.
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Die dem Statorjoch 32 gegenüberliegenden Enden der Statorzähne 31 definieren eine kreiszylinderförmige Innenausnehmung 4, in der eine Rotoranordnung 5 drehbeweglich angeordnet ist. Die Rotoranordnung 5 ist im Wesentlichen aus einem magnetisch leitenden Material ausgebildet, in dem Rotorpole 51 gebildet sind, die zumindest teilweise mit Permanentmagneten 52 versehen sein können.
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Die Rotoranordnung 5 ist an einer Rotorwelle 6 angeordnet, die so gelagert ist, dass ein Außenumfang der Rotoranordnung 5 gegenüber den nach innen weisenden Enden der Statorzähne 31 angeordnet ist, so dass zwischen der Statoranordnung 3 und der Rotoranordnung 5 ein Luftspalt 7 ausgebildet ist.
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Die Rotorwelle 6 ist über ein Festlager 8, das insbesondere elektrisch leitend ausgebildet ist und die Rotorwelle 6 gegenüber dem Gehäuse 2 abstützt, gelagert. Das Festlager 8 hält die Rotorwelle 6 weiterhin in axialer Richtung.
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An einem bezüglich der Rotoranordnung 5 gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 2 ist ein Gleitlager 9 vorgesehen, das als Kunststoffgleitlager, eine einfache Buchse oder anderes, elektrisch und magnetisch nicht leitendes oder schwach leitendes Lager 9 ausgebildet sein kann. Das Gleitlager 9 stützt sich ebenfalls an dem Gehäuse 2 ab, so dass die Rotorwelle 6 durch das Festlager 8 und das Gleitlager 9 ortsfest und drehbeweglich gehalten wird.
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Außerhalb der durch das Festlager 8 definierten Stirnseite der elektrischen Maschine 1 tritt die Rotorwelle 6 aus dem Gehäuse 2 aus und bildet die Abtriebswelle für die elektrische Maschine 1.
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Zum Betreiben der elektrischen Maschine 1 werden die Statorspulen 33 mithilfe eines Kommutierungsschemas in geeigneter Weise bestromt. Um ein gewünschtes Antriebsmoment durch die elektrische Maschine 1 bereitstellen zu können, muss die Bestromung abhängig von der Rotorlage der Rotoranordnung 5 eingestellt werden. Insbesondere kann ein maximales Moment erreicht werden, wenn das Statormagnetfeld eine Voreilung gegenüber dem Rotormagnetfeld von in Drehrichtung 90° elektrischer Rotorlage aufweist. Die elektrische Rotorlage entspricht einem mechanischen Rotorlagewinkel von 360° geteilt durch die Anzahl der Polpaare.
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Um eine Angabe über die Rotorlage zu erhalten, ist in der Regel ein Rotorlagesensor vorgesehen, der üblicherweise in Form eines Magnetsensors 10 ausgebildet ist. Der Magnetsensor 10 umfasst üblicherweise einen als Permanentmagneten ausgeführten Gebermagneten 11 zum Bereitstellen eines Sensormagnetfelds, ein Sensorelement 12, wie beispielsweise einen Hall-Sensor oder einen GMR-Sensor, und ein Geberrad 13, das über einen Haltebereich 14 an der Rotorwelle 6 an einem aus dem Gehäuse 2 ragenden Abschnitt der Rotorwelle 6 angeordnet ist und sich so mit dem Rotor mitdreht.
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Das Geberrad 13 weist üblicherweise an seiner Umfangsfläche eine magnetisch wirksame Strukturierung auf. Das Material der Strukturierung ist üblicherweise ein magnetisch leitendes Material, so dass das von dem Gebermagneten 11 abgegebene Magnetfeld von der Struktur rotorpositionsabhängig beeinflusst wird und somit eine entsprechende von der Rotorlage abhängige Veränderung des durch den Magnetsensor 10 fließenden Magnetfelds detektiert werden kann. Die Strukturierung verläuft entlang der axialen Richtung und kann zahnförmig auf der Umfangsfläche des Geberrads 13 vorgesehen sein.
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Im Betrieb der elektrischen Maschine 1 treten stirnseitig aus dem Luftspalt 7 Streumagnetfelder aus. Zudem werden durch die sich verändernden Magnetfelder in verschiedenen Teilen der elektrischen Maschine 1 Wirbelströme aufgrund von elektromagnetischer Induktion bewirkt. Diese parasitären Magnetfelder können in die Rotorwelle 6 eingekoppelt werden.
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Eine Verwendung eines elektrisch nicht leitenden oder elektrisch schwach leitenden Gleitlagers 9 an der Seite des Gehäuses 2, an der der Magnetsensor 10 angeordnet ist, ist aus verschiedenen Gründen vorteilhaft. Dadurch findet jedoch keine Ableitung eines magnetischen Flusses aus der Rotorwelle 6 über das Gehäuse 2 statt, so dass ein Teil der parasitären Magnetfelder über die Rotorwelle 6 durch das Gleitlager 9 hindurch verlaufen und im Bereich des Geberrads 13 aus der Rotorwelle 6 austreten kann. Da die Sensorelemente 12, die für Magnetsensoren 10 üblicherweise verwendet werden, in der Regel eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, kann es beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 daher zu Störungen der Erfassung der Rotorlage kommen, die die Funktion der elektrischen Maschine 1 verschlechtern oder gar unterbinden.
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Es ist daher grundsätzlich vorgesehen, das Geberrad 13 magnetisch von der Rotorwelle 6 zu isolieren, so dass der magnetische Widerstand zwischen der Rotorwelle 6 und der magnetisch aktiven Strukturierung bzw. den magnetisch aktiven Bereichen des Geberrads 13 größer, d. h. deutlich größer, wird als der über das Gleitlager 9 wirkende magnetische Widerstand, d. h. der magnetische Widerstand zwischen der Rotorwelle 6 und dem Gehäuse 2. Damit wird erreicht, dass ein Großteil des in die Rotorwelle 6 eingeprägten Magnetfelds trotz des magnetisch nicht leitenden Gleitlagers 9 in das Gehäuse 2 abgeleitet wird und nicht die Erfassung der Rotorlage in dem Magnetsensor 10 beeinträchtigt.
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Die Ausführungsform der 2 zeigt ein Geberrad 13, das in diesem Fall zweiteilig ausgebildet ist, mit einem Isolationsabschnitt 21, der zum Aufsetzen auf die Rotorwelle 6 dient. Der Isolationsabschnitt 21 ist zumindest magnetisch nicht leitend, d. h. er weist eine sehr geringe magnetische Leitfähigkeit auf, insbesondere von µr < 50, vorzugsweise µr < 10. Ringförmig den Isolationsabschnitt 21 umgebend ist dann ein Geberelement 22 als ein magnetisch aktives Element des Geberrads 13 angeordnet, das eine Strukturierung in Umfangsrichtung aufweist.
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Alternativ oder zusätzlich kann, wie bei dem Geberrad 30 der 3 gezeigt, die in Umfangsrichtung verlaufende magnetisch aktive Strukturierung des magnetisch aktiven Geberelements 22 durch eine bereichsweise unterschiedliche magnetische Leitfähigkeit realisiert werden, indem beispielsweise Ringsegmente 23, 24 unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit aneinander angeordnet werden, z. B. Ringsegmente 23 aus einem magnetischen Material, wie z. B. Eisen, und Ringsegmente 24 aus einem nicht oder schwach magnetischen Material, wie z. B. Kunststoff oder Aluminium.
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Insbesondere kann, wie in 4 dargestellt, ein Geberrad 40 auch einstückig aus einem magnetisch nicht leitenden Material, wie z. B einem Kunststoff, ausgebildet sein, an dessen Außenumfangsbereich magnetisch leitende Bereiche 41 zum Beispiel durch Einbringen von weichmagnetischen Partikeln, insbesondere Eisenpartikeln, ausgebildet werden können. Die magnetisch leitenden Bereiche 41 erstrecken sich entlang der Umfangsrichtung und sind durch Bereiche ohne weichmagnetische Partikel voneinander beabstandet.
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Obwohl die Geberräder 13, 30, 40 der obigen Ausführungsformen jeweils mit acht Polen bzw. Strukturierungsbereichen in Umfangsrichtung dargestellt wurden, können diese auch je nach gewünschter Auflösung des Magnetsensors 10 andere Anzahlen von Strukturierungsbereichen aufweisen.
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Alternative Ausführungsformen können auch das Anordnen der Gebermagnete 11 auf einem Geberrad 13, 30, 40 vorsehen, wobei die Gebermagnete 11 magnetisch nicht leitend mit der Rotorwelle 6 verbunden bzw. verbindbar sind.
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Anstelle von Metallpartikeln aus magnetisch leitendem Material kann dann magnetisiertes, zum Beispiel hartmagnetisches, Material in das ansonsten magnetisch nicht leitende Material des Geberrads 13, 30, 40 eingebracht und mit einer entsprechenden Anordnung entlang der Umfangsrichtung, die sich entlang der axialen Richtung erstreckt, ausgebildet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010040857 A1 [0007]
