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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Asynchronmotor.
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Bei dem Einsatz von Elektromotoren für den Antrieb von Aggregaten oder Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen spielen in der Regel die Information über die aktuelle Drehlage des Rotors sowie die Drehzahl und die Drehrichtung des Rotors im Motor eine wichtige Rolle, beispielsweise bei Antriebsmotoren von Wischeinrichtungen in Kraftfahrzeugen, in Stellantrieben für Getriebe- oder Hydrauliksysteme oder in elektrisch betätigbaren Lenkantrieben. Zur Feststellung der Drehlage werden oftmals Einrichtungen zur Erfassung eines rotierenden Magnetfeldes eingesetzt, die einen Sensor- bzw. einen Gebermagneten und einen Magnetfeldsensor zum Detektieren des vom Gebermagneten erzeugten Magnetfeldes umfassen. Der Gebermagnet ist dabei mit dem Rotor des Elektromotors drehfest verbunden und weist daher die gleiche Drehzahl wie der Rotor auf. Das sich periodisch ändernde Magnetfeld des rotierenden Gebermagneten wird von dem Magnetfeldsensor erfasst, woraus der aktuelle Drehwinkel, die aktuelle Drehzahl- und Drehrichtung des Rotors ermittelt werden können.
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Um die Rotationslage des Rotors, die Drehzahl und die Drehrichtung des Rotors zu erkennen, ist es bekannt, signalgebende Gebermagnete auf einer Rotorwelle insbesondere im Bereich einer Stirnseite der Rotorwelle zu befestigen. Um den Gebermagneten sicher an der Rotorwelle anzubringen, wird zumeist ein nicht magnetisches Bauteil verwendet, das als Halterung für den Gebermagneten dient. Das Bauteil ist typischerweise zwischen dem Sensormagneten und dem axialen Ende der Rotorwelle angeordnet, sodass der Gebermagnet nicht unmittelbar auf der Rotorwelle angeordnet ist.
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Des Weiteren sind Träger für Gebermagnete bekannt, bei welchen der Gebermagnet mittels einer Schweißverbindung, beispielsweise einer Kunststoff-Ultraschallschweißverbindung, mit dem Träger verbunden ist. Ein Nachteil der bekannten Magnetbaugruppen besteht darin, dass sich Toleranzschwankungen in Bauteilen auf die Positionsgenauigkeit des Gebermagneten auswirken. Dabei kann insbesondere eine reproduzierbare winkeltreue Anbringung von Sensormagneten am Träger mittels Verspannung oder Schweißverbindung nicht oder nur unter hohem fertigungstechnischem Aufwand gewährleistet werden.
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Weiterhin vergrößert eine Montage des Gebermagneten auf einer Rotorwelle mittels einer Hülse den Bauraum und verhindert oder zumindest behindert konstruktive Maßnahmen zur Rotorkühlung bzw. Rotorwellenkühlung. Ferner ist der Gebermagnet durch hohe Rotordrehzahlen hohen mechanischen Belastungen durch Fliehkräfte ausgesetzt. Außerdem können hohe Temperaturen im Bereich der Rotorwelle den Gebermagneten beschädigen.
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Darüber hinaus besteht beim Einsatz von kunststoffgebundenen gespritzten Magneten die Gefahr einer Entmagnetisierung. Gespritzten Magnete sind typische Verbundwerkstoffe, die durch Einbettung von Hartferrit- oder Seltenerdmagnetpulver in thermoplastischen Kunststoffen (z.B. Matrixmaterial PA6, PA12 oder PPS) entstehen. Temperatureinflüsse und Fliehkräfte verändern das magnetische Verhalten bzw. können zur Entmagnetisierung führen. Insbesondere beträgt eine Glasübergangstemperatur einer typischen Kunststoffmatrix in gespritzten Magneten je nach Material mehr als 50° C. In Abhängigkeit von den Pulvereigenschaften und dem Formgebungsverfahren kann sich unter dem Einfluss hoher Temperaturen und unter dem Einfluss hoher Fliehkräfte die Orientierung der Pulverstruktur und damit die Magnetisierung ändern.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann daher darin gesehen werden, eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche einen Gebermagneten und einen zugeordneten Magnetfeldsensor umfasst, wobei die elektrische Maschine vorstehend beschriebene Nachteile des Stands der Technik überwindet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine, insbesondere ein Asynchronmotor, bereitgestellt wobei die elektrische Maschine eine Rotorwelle, eine mit der Rotorwelle gekoppelte Getriebewelle, einen Gebermagneten und einen Magnetfeldsensor umfasst.
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Bei einem Asynchronmotor ist es nicht notwendig, die Lage des Rotors zu bestimmen. Beim Asynchronmotor ist es wichtig, die Drehzahl und die Drehrichtung des Rotors zu kennen. Gemäß der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist der Gebermagnet drehfest an der Getriebewelle angeordnet, so dass der Gebermagnet bei einer Rotation der Getriebewelle ein sich periodisch änderndes Magnetfeld erzeugt, und der Magnetfeldsensor ist dazu eingerichtet, das durch den Gebermagneten erzeugte Magnetfeld zu detektieren.
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Der Magnetfeldsensor ist dazu eingerichtet, die Drehzahl und die Drehrichtung der Getriebewelle zu ermitteln. Anhand der ermittelten Drehzahl und Drehrichtung der Getriebewelle können über die Übersetzung zwischen der Getriebewelle und der Rotorwelle die Drehzahl und die Drehrichtung der Rotorwelle ermittelt werden. Diese Umrechnung kann durch den Magnetfeldsensor oder durch eine entsprechend eingerichtete Steuereinheit erfolgen, welche Zugriff auf entsprechende, von dem Magnetfeldsensor ermittelte Drehzahldaten und Drehrichtungsdaten hat.
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Durch das Anordnen des Gebermagneten auf der Getriebewelle behält man die Vorteile, welche nach dem Stand der Technik das Anordnen des Gebermagneten an einem axialen Ende der Rotorwelle beinhaltet. Zusätzlich kann die Gefahr einer Beschädigung und einer Entmagnetisierung des Gebermagneten durch niedrigere Temperaturen im Bereich der Getriebewelle verringert werden. Der Gebermagnet kann ferner insbesondere an einer Getriebewelle angeordnet sein, welche mit verminderter Drehzahl verglichen mit der Rotorwelle rotiert. Dadurch ist der Gebermagnet nicht den höheren Rotordrehzahlen verbunden mit entsprechend hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, sondern aufgrund der niedrigeren Drehzahl der Getriebewelle lediglich entsprechend geringen mechanischen Belastungen. Dadurch kann das Risiko der Entmagnetisierung des Gebermagneten weiter gesenkt werden. Weiterhin eröffnet die Verlagerung des Gebermagneten von der Rotorwelle auf die Getriebewelle die Möglichkeit, konstruktive Maßnahmen zur Rotorkühlung bzw. Rotorwellenkühlung im Bereich der Rotorwelle und insbesondere im Bereich des axialen Endes der Rotorwelle vorzusehen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Gebermagnet unmittelbar ohne ein Montagebauteil drehfest an der Getriebewelle angeordnet ist. Auf ein Bauteil, welches zwischen dem Gebermagneten und der Rotorwelle, insbesondere dem axialen Ende der Rotorwelle, angeordnet ist, wird somit verzichtet. Der Verzicht auf ein Montagebauteil führt zu einer Bauteilersparnis. Eine solche Bauteilersparnis hat eine Vielzahl von positiven Effekten zufolge, wie z.B. eine Bauraum- und Gewichtseinsparung der elektrischen Maschine und die Kostenreduktion durch eine einfachere Konstruktion der elektrischen Maschine. Zudem führt das Weglassen des Montagebauteils zwischen dem Gebermagneten und der Getriebewelle zu der Möglichkeit, einen besonders großen Gebermagneten anzubringen und somit ein stärkeres Magnetsignal zu generieren. Insbesondere kann der Vorteil entstehen, größere Bauteiltoleranzen überbrücken zu können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Gebermagnet an die Getriebewelle angespritzt. Das Anspritzen des Gebermagneten auf der Getriebewelle hat insbesondere die Vorteile, dass es fertigungstechnisch automatisierbar ist, eine Bauraumersparnis gegenüber anderen Techniken ermöglicht, der Gebermagnet mit geringen Toleranzen herstellbar ist, z.B. im Vergleich mit gepressten Magneten, und das geringe Montagetoleranzen erzielbar sind. Ein weiterer wesentlicher Vorzug kunststoffgebunden gespritzter Magnete ist die enorme Formgebungsvielfalt, die das Spritzgießverfahren eröffnet. Im Prinzip sind dadurch ähnliche Geometrien wie beim Herstellen von technischen Kunststoffteilen realisierbar. Zudem macht der hohe Füllgrad (Füllgrade variieren zwischen 84% und 94% Magnetpulver) und der damit verbundene geringe Schwund sehr enge Toleranzen im Vergleich mit technischen Kunststoffteilen möglich.
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Gespritzte Magnete sind typische Verbundwerkstoffe, die durch Einbettung von Hartferrit- oder Seltenerdmagnetpulver in thermoplastischen Kunststoffen (Matrixmaterial PA 6, PA 12, PPS) entstehen. Dabei bestimmen die Mengenanteile des Magnetpulvers die magnetischen und mechanischen Eigenschaften. Im Fertigungsprozess stellt man zunächst das Magnetcompound her. Dazu werden das Kunststoffgranulat und das Magnetpulver im Heißkneter oder Doppelschneckenextruder gemischt und anschließend extrudiert sowie granuliert.
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In einem nächsten Schritt erfolgt die Verarbeitung des Compounds auf modifizierten Spritzgießmaschinen. Beim Spritzgießen von anisotropen Magneten wird während des Anspritzens zusätzlich ein Magnetfeld in axialer, radialer, diametraler oder multipolarer Richtung angelegt und die Vorzugsrichtung des Magnetwerkstoffs parallel zur vorgegebenen Orientierung erzeugt. Bei kunststoffgebundenen gespritzten Magneten ist in der Regel keine mechanische Bearbeitung des fertigen Spritzteils erforderlich.
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Die magnetischen Werte liegen aufgrund der variierenden Füllgrade unter denen der kunststoffgebundenen gepressten Magneten. Kunststoffgebunden gespritzte Magnete können in komplexen Geometrien und in Kombination mit Einlegeteilen in einem Prozessschritt hergestellt werden. Durch das Anspritzen von Einlegeteilen mit Magnetcompound können Magnete mit Achsen, Buchsen oder anderen Funktionselementen kombiniert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der der Gebermagnet drehfest an einer Stirnseite der Getriebewelle angeordnet sein, was die gleichen Vorteile mit sich bringt wie ein an einer Rotorwelle angeordneter Gebermagnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Rotorwelle als Hohlwelle ausgeführt und bildet einen Kühlkanal für die elektrische Maschine aus. Beispielsweise kann die Rotorwelle eine axiale Bohrung umfassen, welche die zwei Stirnseiten der Rotorwelle miteinander verbindet. Die axiale Bohrung muss die Rotorwelle jedoch nicht vollständig durchsetzen, sondern kann insbesondere an einer der Getriebewelle abgewandten Stirnseite der Rotorwelle beginnen und sich z.B. in etwa bis zur Hälfte innerhalb der Rotorwelle erstrecken und anschließend in wenigstens eine radiale Bohrung übergehen, welche zur äußeren Mantelfläche der Rotorwelle führt.
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Durch den Kühlkanal kann Kühlmittel, zum Beispiel ein Öl geleitet werden. Der Kühlkanal kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Rotorwelle von innen mit dem Kühlmittel zu kühlen. Weiterhin kann die Rotorwelle wenigstens eine radiale Bohrung aufweisen, welche mit dem axialen Hohlraum der Hohlwelle verbunden ist. Über die radiale Bohrung kann Kühlmittel einem auf der Rotorwelle sitzenden Rotorblechpaket zugeführt werden. Auf diese Weise ist auch das Rotorblechpaket kühlbar. Auch das Rotorblechpaket kann einen Kühlkanal ausbilden, durch welchen das Kühlmittel geleitet werden kann. Der Kühlkanal des Rotorblechpakets kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass durch ihn geleitetes Kühlmittel in Richtung eines das Rotorblechpaket außen umgebenden Stators mit Statorwickelköpfen geleitet werden kann.
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Besonders bevorzugt ist die Getriebewelle ein Teil eines in die elektrische Maschine integrierten Getriebes. Ferner kann die elektrische Maschine ein Einlegeteil und einen Momentenmitnehmer aufweisen.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
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1 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Gebermagneten auf einer Getriebewelle,
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2 eine Längsschnittdarstellung eines Teils einer oberen Hälfte eines Ausführungsbeispiels einer weiteren erfindungsgemäßen getriebeintegrierten elektrischen Maschine mit einem Gebermagneten auf einer Getriebewelle,
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3 ein Wellenende mit angespritztem Gebermagneten für eine Getriebewelle nach 1 und
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4 ein weiteres Wellenende mit einem Einlegeteil und einem Momentenmitnehmer für eine Getriebewelle nach 1.
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1 zeigt eine elektrische Maschine in Form eines getriebeintegrierten Asynchronmotors 1 mit einem Rotorblechpaket 2. Das Rotorblechpaket 2 ist in radialer Richtung umgeben von einem Stator 3 mit einem ersten Statorwickelkopf 4, welcher in 1 links dargestellt ist, und mit einem zweiten Statorwickelkopf 5, welcher in 1 rechts dargestellt ist. Das Rotorblechpaket 2 umfasst weiterhin Kühlkanäle 6, welche das Rotorblechpaket 2 in axialer Richtung und in radialer Richtung durchsetzen und dazu axiale Kühlkanalabschnitte 6a und radiale Kühlkanalabschnitte 6r aufweisen.
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Eine Rotorwelle 7 der elektrischen Maschine 1 ist als Hohlwelle ausgeführt und weist eine in axialer Richtung bzw. Längsrichtung L der Rotorwelle 7 verlaufende axiale Bohrung 8 auf. Die axiale Bohrung 8 beginnt an einer in 1 links dargestellten ersten Stirnseite 9 der Rotorwelle 7. Die axiale Bohrung 8 durchdringt die Rotorwelle 7 in etwa bis zu ihrer Hälfte und geht dann in mehrere um den Umfang der Rotorwelle 7 verteilte radiale Bohrungen 10 über, welche die axiale Bohrung 8 mit einer äußeren Mantelfläche 11 der Rotorwelle 7 verbinden und in die radialen Kühlkanalabschnitte 6r des Rotorblechpakets 2 münden.
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Bei einer Rotation der Rotorwelle 7 wird ein Kühlmedium, welches sich innerhalb der axialen Bohrung 8 der Rotorwelle 7 befindet, durch die axiale Bohrung 8 gefördert und aus den radialen Bohrungen 6r heraus in die radialen Kühlkanalabschnitte 6r des Rotorblechpakets 2 geleitet bzw. geschleudert. Von da aus durchströmt das Kühlmedium die axialen Kühlkanalabschnitte 6a des Rotorblechpakets 2 bis zu dessen Stirnseiten, von wo aus es in Richtung der Statorwickelköpfe 4 und 5 geschleudert wird. Das aus den radialen Bohrungen 4 und 5 herausgeschleuderte Kühlmedium trifft in seinem weiteren Bewegungsverlauf insbesondere auf die Statorwickelköpfe 4, 5 und kühlt diese. Anschließend tropft das Kühlmedium in einen Sumpf 12 eines ersten Gehäuseabschnitts 13 des Asynchronmotors 1 ab. Ein möglicher Verlauf des Kühlmittels innerhalb der Bohrungen 8, 10 der Rotorwelle und der Kühlkanalabschnitte 6r, 6a ist in 1 mit Pfeilen 14 verdeutlicht.
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1 zeigt weiterhin, dass die Rotorwelle 7 drehbar in einem ersten Lager 15 und in einem zweiten Lager 16 gelagert ist, welche innerhalb des ersten Gehäuseabschnitts 13 befestigt sind. In einem zweiten Gehäuseabschnitt 17 befindet sich ein Getriebe 18 mit einem weiteren Sumpf 19 für Kühlmittel. Die Gehäuseabschnitte 13 und 17 sind in dem unteren Bereich des Asynchronmotors 1 miteinander verbunden. Auf diese Weise sind auch der erste Sumpf 12 und der zweite Sumpf 19 miteinander verbunden.
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Das Getriebe 18 ist in die elektrische Maschine 1 integriert und über ein erstes Zahnrad 20 mit der Rotorwelle 7 verbunden, wobei eine Ausgangswelle 21 des Getriebes 18 in einem dritten Lager 22 drehbar gelagert ist und aus dem zweiten Gehäuseabschnitt 17 herausragt und wobei das dritte Lager 51 innerhalb des zweiten Gehäuseabschnitts 17 befestigt ist.
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Weiterhin umfasst das Getriebe 18 eine Getriebewelle 23. Auf der Getriebewelle 23 sind drehfest ein zweites Zahnrad 24 und ein drittes Zahnrad 25 gelagert. Das zweite Zahnrad 24 kämmt mit dem ersten Zahnrad 20. Auf diese Weise wird die Getriebewelle 23 von der Rotorwelle 7 angetrieben. Auf der anderen Seite kämmt das dritte Zahnrad 25 mit einem auf der Ausgangswelle 21 drehfest angeordneten vierten Zahnrad 26. Auf diese Weise wird die Ausgangswelle 21 von der Getriebewelle 23 angetrieben.
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Auf der Seite der Ausgangswelle 21 weist die Getriebewelle 23 eine in 1 rechts dargestellte Stirnseite 27 auf. An die Stirnseite 27 ist ein Gebermagnet 28 angespritzt. Der Gebermagnet 28 ist unmittelbar ohne ein Montagebauteil drehfest an der Getriebewelle 23 angeordnet, so dass der Gebermagnet 28 bei einer Rotation der Getriebewelle 23 ein sich periodisch änderndes Magnetfeld erzeugt. 3 zeigt beispielhaft, wie ein Gebermagnet 28 an einem stirnseitigen Ende 27 einer Getriebewelle 23 angespritzt sein kann. 4 zeigt ein Ende einer Getriebewelle 23 mit einem Einlegeteil 31 und mit einem Momentenmitnehmer 32.
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Im Wesentlichen parallel zu der Stirnseite 27 und dem Gebermagneten 28 ist ferner an einem vertikalen Abschnitt 29 des zweiten Gehäuseabschnitts 17 ein Magnetfeldsensor 30 befestigt. Der Magnetfeldsensor 30 ist dazu eingerichtet, das durch den Gebermagneten 28 erzeugte Magnetfeld zu detektieren. Der Magnetfeldsensor 30 ist weiterhin dazu eingerichtet, anhand des durch den Gebermagneten 28 erzeugten Magnetfelds die Drehzahl und die Drehrichtung der Getriebewelle 23 zu ermitteln. Anhand der ermittelten Drehzahl und Drehrichtung der Getriebewelle 23 können über die Übersetzung zwischen der Getriebewelle 23 und der Rotorwelle 7 die Drehzahl und die Drehrichtung der Rotorwelle 7 ermittelt werden.
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2 zeigt eine weitere elektrische Maschine 1 in Form eines getriebeintegrierten Asynchronmotors. Die Rotorwelle 7 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 mehrteilig ausgestaltet und umfasst insbesondere einen in 2 rechts dargestellten ersten Wellenzapfen 7.1, einen in 2 links dargestellten zweiten Wellenzapfen 7.2 und einen Füllkörper 7.3, welcher zwischen den Wellenzapfen 7.1 und 7.2 angeordnet ist und diese drehfest miteinander verbindet. Die Rotorwelle 7 ist als Hohlwelle ausgeführt und bildet einen Kühlkanal 33 aus, welcher insbesondere eine Verteilung von Kühlmittel in einer durch Pfeile 34 dargestellten Richtung ermöglicht, sodass insbesondere das innere der Rotorwelle 7, Stirnseiten des Rotorblechpakets 2 sowie Statorwickelköpfe 4 und 5 des Stators 3 durch das Kühlmedium gekühlt werden können.
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Ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist auf der Rotorwelle 7 bzw. deren erstem Wellenzapfen 7.1 ein erstes Zahnrad 20 und auf einer Getriebewelle 23 ein zweites Zahnrad 24 drehfest gelagert. Das zweite Zahnrad 24 kämmt mit dem ersten Zahnrad 20. Auf diese Weise wird die Getriebewelle 23 von der Rotorwelle 7 angetrieben.
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Die Getriebewelle 23 weist in einem in 2 rechts dargestellten axialen Endbereich einen Gebermagneten 28 auf. Der Gebermagnet 28 ist über ein Montagebauteil in Form eines Magnethalters 34 drehfest an der Getriebewelle 23 angeordnet, so dass der Gebermagnet 28 bei einer Rotation der Getriebewelle 23 ein sich periodisch änderndes Magnetfeld erzeugt. Der Gebermagnet 28 und der Magnethalter 34 sind von einer schützenden Kapsel 35 umgeben. Weiterhin ist ein nicht gezeigter Magnetfeldsensor vorgesehen, welcher mit geringem Abstand zu dem Gebermagneten angeordnet sein kann, ähnlich wie dies durch 1 gezeigt ist. Der Magnetfeldsensor ist dazu eingerichtet, das durch den Gebermagneten 28 erzeugte Magnetfeld zu detektieren und anhand des Magnetfelds die Drehzahl und die Drehrichtung der Getriebewelle 23 zu ermitteln. Anhand der ermittelten Drehzahl und Drehrichtung der Getriebewelle 23 können über die Übersetzung zwischen der Getriebewelle 23 und der Rotorwelle 7 die Drehzahl und die Drehrichtung der Rotorwelle 7 ermittelt werden.
