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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung eines auf eine Welle einwirkenden Drehmoments.
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Die Ermittlung eines auf eine Welle einwirkenden Drehmoments ist bei vielen Anwendungen gewünscht. Sie ist insbesondere bei Wellen zur Kraftübertragung vorteilhaft, beispielsweise in der Antriebstechnologie, speziell in der Kraftfahrzeugtechnik.
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Mit Hilfe des ermittelten Drehmoments lässt sich z.B. eine Motorcharakteristik bestimmen oder der Motor steuern. Zudem lässt sich dadurch auch die mechanische Belastung ermitteln.
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Üblicherweise wird das Drehmoment beispielsweise eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor zum Einen „direkt“ am Verbrennungsmotor gemessen, also an einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Eine derartige Messung wird üblicherweise bei der Fertigung eines Verbrennungsmotors durchgeführt, sodass das gemessene Drehmoment in ein Datenblatt des Motors aufgenommen werden kann. Zum Anderen wird das Drehmoment im Fahrbetrieb beispielsweise aus mehreren Faktoren, wie beispielsweise eine Ansaugluftmenge, eine in die Zylinder eingespritzte Treibstoffmenge ermittelt und beispielsweise über Anzeigeelemente an einen Fahrer übermittelt.
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Bei den beschriebenen Methoden besteht jedoch hinsichtlich einer Genauigkeit des Wertes des Drehmoments, beispielsweise aufgrund einer fehlenden Berücksichtigung mechanischer Verluste, Verbesserungsbedarf.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe ein Drehmoment hinreichend genau erfassbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die im Hinblick auf die Sensorvorrichtung aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen und umgekehrt.
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Die Sensorvorrichtung ist zur Ermittlung eines auf eine Welle einwirkenden Drehmoments ausgebildet. Die Sensorvorrichtung weist zwei als Sensorelemente ausgebildete Generatorelemente auf, die beabstandet voneinander an der Welle angeordnet sind. Die Generatorelemente sind derart ausgebildet, dass sie im Betrieb bei einer Rotation der Welle jeweils ein Wechselsignal erzeugen.
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Weiterhin weist die Sensorvorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die derart ausgebildet ist, dass sie eine mit dem Drehmoment korrelierte Phasenverschiebung zwischen den beiden Wechselsignalen erfasst und in Abhängigkeit der erfassten Phasenverschiebung das Drehmoment ermittelt.
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Diese Ausgestaltung beruht auf der Überlegung, dass aufgrund eines auf die Welle einwirkenden Drehmoments, diese eine Torsion erfährt. Die Torsion führt dazu, dass sich die Winkellagen zueinander axial voneinander beabstandeter Punkte, vorliegend auch als Messpositionen bezeichnet, der Welle verdrehen. An den beiden Messpositionen sind die beiden Generatorelemente angeordnet und erzeugen bei einer Rotation der Welle die Wechselsignale.
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Die Verdrehung führt zu einer Phasenverschiebung zwischen den Wechselsignalen. Die Phasenverschiebung ist daher mit dem einwirkenden Drehmoment korreliert. D.h. je größer das einwirkende Drehmoment ist, umso größer ist die resultierende Torsion und somit auch die Phasenverschiebung der beiden Wechselsignale zueinander. Neben der Phasenverschiebung der Wechselsignale ermittelt sich das Drehmoment zusätzlich noch in Abhängigkeit z.B. der Materialeigenschaften der Welle, wie beispielsweise einer Drehfestigkeit.
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Hierdurch ist eine einfache und zudem normkonforme Ermittlung des Drehmoments der Welle im Betrieb ermöglicht. Unter normgerecht wird vorliegend beispielsweise verstanden, dass die Sensoren hinsichtlich ihrer Qualität, eines Ausfalles und/oder einer Redundanz normgerecht ausgebildet sind. Eine relevante Norm hierzu ist gegenwärtig die ISO 26262. Zusätzlich ist eine Kostenreduzierung hinsichtlich auf Fehldiagnosen beruhender Gewährleistungskosten erreicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Welle eine Antriebswelle eines Motors. Hierdurch ist eine genaue Ermittlung des Drehmoments und insbesondere eines Antriebsmoments erreicht. Unter Antriebsmoment wird vorliegend insbesondere ein Moment verstanden, welches an einer Eingangswelle einer durch den Motor angetriebenen Komponente, beispielsweise einem Getriebe, einem Differential oder auch an einer Radachse eines Fahrzeuges anliegt.
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Zweckdienlicherweise ist das Wechselsignal, welches von den Generatorelementen erzeugt wird eine Wechselspannung. Der Vorteil ist, dass das Wechselsignal auf eine einfache Weise erzeugt wird und somit die Sensorvorrichtung in Gänze zusätzlich vereinfacht. Alternativ ist das Wechselsignal ein Wechselstrom.
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Bevorzugt weisen die Sensorelemente einen Abstand zueinander auf, der einem mehrfachen, beispielsweise einem mehr als 5-fachen oder mehr als 10-fachen eines Durchmessers der Welle entspricht. Speziell weist der Abstand einen Wert größer 20cm auf. Somit führen selbst geringfügige Torsionen aufgrund geringer Drehmomente zu einer Phasenverschiebung. Hierdurch ist eine Sensibilität der Sensorvorrichtung hinsichtlich geringer Torsionen und somit geringer Drehmomente erreicht, sodass sich ein Messbereich der Sensorvorrichtung vorteilhaft erweitert. Allgemein ist vorliegend hierunter zu verstehen, dass je größer der Abstand zwischen den Generatorelementen ist, desto sensibler reagiert die Sensorvorrichtung auf eine Torsion der Welle.
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In zweckdienlicher Weiterbildung sind die als Sensorelemente ausgebildeten Generatorelemente als Einphasen-Wechselspannungsgeneratoren ausgebildet. Derartige Wechselspanungsgeneratoren zeichnen sich durch ihre einfache und kostengünstige Bauweise sowie durch ihre Robustheit und ihre geringe Baugröße aus.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist zur Ausbildung der Sensorelemente pro Sensorelement jeweils zumindest ein Magnetelement, vorzugsweise ein Permanentmagnet zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf der Welle angeordnet. Unter Magnetelement wird vorliegend beispielsweise ein herkömmlicher Magnet mit einem Nord- und einem Südpol verstanden. Alternativ oder ergänzend sind mehrere Magnetelemente umfangsseitig auf der Welle angeordnet.
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Das zumindest eine Magnetelement bildet somit einen Rotor aus, welcher vorliegend von einem Spulenelement umgeben ist.
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Mit anderen Worten: Die zuvor genannte Anordnung von Magnetelement und Spulenelement entspricht der Anordnung eines Wechselspannungsgenerators. Das auf der Welle angeordnete und sich somit mit der Welle drehende zumindest eine Magnetelement ist vorliegend als der Rotor zu sehen, während das umfangsseitig um das zumindest eine Magnetelement und die Welle angeordnete Spulenelement als Stator dient, in das gemäß des Induktionsprinzips das Wechselsignal in Form einer Wechselspannung induziert wird.
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Diese Ausgestaltung hat sich als vorteilhaft erwiesen, da die Erzeugung der Wechselsignale nahezu beeinflussungsfrei erfolgt. Unter nahezu beeinflussungsfrei wird vorliegend insbesondere verstanden, dass die Generatorelemente unempfindlich hinsichtlich beispielsweise einer Verschmutzung, Feuchtigkeit und/oder der Temperatur sind.
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Bevorzugt weisen die erzeugten Wechselsignale eine unterschiedliche Amplitude auf. Hierdurch ist eine einfache und eindeutige Zuordnung der beiden Wechselsignale zu jeweils einem der beiden Sensorelemente ermöglicht. Weiterhin ist hierdurch aufgrund dessen, welches der beiden Wechselsignale aus einer Normalphase phasenverschoben ist, ein positives oder ein negatives Drehmoment erkennbar und/oder ermittelbar. Unter der Normalphase wird ein Phasenverlauf eines Wechselsignals bei einer unbelasteten - also ohne einwirkendes Drehmoment - Welle verstanden. Bei unbelasteter Welle sind die beiden Wechselsignale üblicherweise phasenkonstant. Unter phasenkonstant wird vorliegend verstanden, dass die beiden Wechselsignale bei einer unbelasteten, rotierenden Welle eine konstante Phasenverschiebung, beispielsweise 0° oder 90° aufweisen. Unter einem positiven beziehungsweise einem negativen Drehmoment wird vorliegend speziell verstanden, ob sich die Welle in eine bevorzugte Richtung (positives Drehmoment) oder entgegen der bevorzugten Richtung (negatives Drehmoment) tordiert.
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Zweckdienlicherweise ist die Auswerteeinheit derart ausgebildet, dass sie auf Basis eines Vergleiches der erfassten Phasenverschiebung mit Referenzphasenverschiebungen das Drehmoment ermittelt. Die Referenzphasenverschiebungen werden beispielsweise im Rahmen der Entwicklung beispielsweise derart ermittelt, dass die Welle mit einem vorgegebenen Drehmoment belastet wird und die Phasenverschiebung erfasst wird. In diesem Zusammenhang ist somit in umgekehrter Reihenfolge eine erfasste Phasenverschiebung einem Drehmoment zuordbar.
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Hierdurch kann insbesondere auf eine Verwendung aufwändiger und teurer Messverfahren und -mittel, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen verzichtet werden.
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Zweckdienlicherweise sind die Referenzphasenverschiebungen in einer Datenbank hinterlegt. Hierdurch ist eine einfache Hinterlegung der Referenzphasenverschiebungen erreicht. Weiterhin ist beispielsweise zum Einen ein zeitunabhängiger und zum Anderen ein beispielsweise ortsunabhängiger Zugriff auf die Referenzphasenverschiebungen ermöglicht. Unter Datenbank wird vorliegend vorzugsweise ein „onboard” Speichermedium verstanden. Unter „onboard“ wird vorliegend speziell verstanden, dass das Speichermedium beispielsweise in einem Fahrzeug oder innerhalb der Auswerteeinheit angeordnet ist.
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Alternativ ist die Datenbank als ein online basiertes Speichermedium, beispielsweise als ein Cloud-Speicher ausgebildet, welches an einem Ort befindet, der nicht dem Ort des Fahrzeuges oder dem Ort der Auswerteeinheit entspricht.
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Bevorzugt sind die als Sensorelemente ausgebildeten Generatorelemente drahtgebunden mit der Auswerteeinheit verbunden. Die Sensorelemente sind beispielsweise mittels zumindest einer analogen Leitung zur Übertragung der Wechselsignale verbunden sind. Hierdurch ist eine einfache und kostengünstige elektrische Verbindung zwischen den Generatorelementen und der Auswerteeinheit sichergestellt. Alternativ sind die Generatorelemente jeweils mittels einer Leitung mit der Auswerteeinheit verbunden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist zumindest ein Generatorelement innerhalb eines Motor- oder Getriebegehäuses angeordnet. Hierdurch sind insbesondere variable Anordnungsmöglichkeiten zur Ermittlung des Drehmoments erreicht. Zusätzlich ist eine Erhöhung der Robustheit sowie einer Ausfallsicherheit erreicht, da bei einer Anordnung innerhalb des Motor- oder Getriebegehäuses die zumindest eine Generatoreinheit vor Verunreinigungen geschützt ist. Weiterhin ist hierdurch eine platzsparende Anordnung der Sensorvorrichtung erreicht. Alternativ sind beide Generatorelemente innerhalb eines Motor- oder Getriebegehäuses angeordnet.
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Insbesondere ist die Sensorvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise an einer Antriebswelle zur Ermittlung eines bereits genannten Antriebsmoments angeordnet. Alternativ ist zumindest ein Generatorelement in einem Motor- oder Getriebegehäuse oder in einem Differentialgehäuse angeordnet. Aufgrund der genannten Ausgestaltungen hinsichtlich einer Anordnung zumindest eines Generatorelements ist die Sensorvorrichtung antriebsunabhängig zur Ermittlung des Antriebsmoments ausgebildet. Unter antriebsunabhängig wird vorliegend verstanden, dass die Sensoreinheit sowohl bei einem Kraftfahrzeug mit einem Frontantrieb als auch bei einem Kraftfahrzeug mit einem Heckantrieb einsetzbar ist.
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Das ermittelte Drehmoment wird vorzugsweise als Steuer- oder Regelgröße für den Motor herangezogen. Unter Motor wird vorliegend ein Verbrennungsmotor oder ein Elektromotor, speziell ein elektrischer Fahrmotor oder ein Verstellmotor verstanden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in teilweise stark vereinfachten Darstellungen:
- 1 eine Seitenansicht auf einen Teil einer Welle mit angeordneter Sensorvorrichtung,
- 2 eine Querschnittsdarstellung durch die Schnittebene A-A eines an der Welle angeordneten Sensorelements,
- 3 ein schematisch skizziertes Kraftfahrzeug mit drei Varianten einer Anordnung der Sensorvorrichtung sowie
- 4 eine Grafik zur schematischen Darstellung zwei von den als Sensorelementen ausgebildeten Generatorelementen.
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In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt.
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1 zeigt eine Sensorvorrichtung 2 zur Ermittlung eines auf eine Welle 4 einwirkenden Drehmoments M eines Motors 6. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Motor 6 um einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges 8 (vgl. 3). Die Welle 4 erstreckt sich entlang einer Achse R und ist im Betrieb um diese Achse R drehbar. Die Sensorvorrichtung 2 weist zwei als Sensorelemente ausgebildete Generatorelemente 10 auf, die beabstandet voneinander an der Welle 4 angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel weisen die Generatorelemente 10 einen Abstand L auf, der einem 25-fachen bis 50-fachen eines Durchmesser D der Welle 4 entspricht.
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Die Generatorelemente 10 erzeugen im Betrieb der Welle 4 jeweils ein Wechselsignal S1 ,S2 mit, im Ausführungsbeispiel unterschiedlichen Amplituden A1 ,A2 (vgl. 4). Die Wechselsignale S1 ,S2 werden an eine Auswerteeinheit 12 übertragen. Im Ausführungsbeispiel erfolgt dies mittels einer gemeinsamen Leitung 14. Alternativ weist jedes Generatorelement 10 eine eigene Leitung 14 zur Übertragung des Wechselsignals S1 ,S2 an die Auswerteeinheit 12 auf.
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In 2 ist ein Querschnitt durch die Schnittachse A-A aus 1 gezeigt. 2 zeigt somit einen Querschnitt durch ein als Sensorelement ausgebildetes Generatorelement 10, welches an der Welle 4 gemäß 1 angeordnet ist.
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An der Welle 4 ist zumindest ein Magnetelement, im Ausführungsbeispiel vier Magnetelemente 16, beispielsweise Permanentmagnete gleichmäßig umfangsseitig an der Welle 4 angeordnet, beispielsweise geklebt. Die Magnetelemente 16 bilden im Ausführungsbeispiel einen ersten Teil des Generatorelements 10. Aufgrund der Anordnung an der Welle 4 handelt es sich bei den Magnetelementen 16 im Ausführungsbeispiel um ein Rotorelement des Generatorelements 10 zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Umfangsseitig um die Welle 4 und damit auch um die Magnetelemente 16 ist ein Spulenelement 18 als zweiter Teil des Generatorelements 10 angeordnet. Zwischen der Welle 4 mit den Magnetelementen 16 und dem Spulenelement 18 ist ein Luftspalt 17 ausgebildet. Die beiden Generatorelemente 10 des Ausführungsbeispiels sind analog aufgebaut.
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In das Spulenelement 18 wird aufgrund des seitens des durch die Magnetelemente 16 erzeugten Magnetfeldes beim Betrieb der Welle 4 das Wechselsignal S1 ,S2 in Form einer Wechselspannung induziert und an die Auswerteeinheit 12 übertragen. Die beiden Wechselsignale S1 ,S2 verlaufen bei einer unbelasteten Welle 4 phasengleich, weisen also die gleiche Phase auf.
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Durch das Einwirken des Drehmoments M auf die Welle 4 erfährt diese eine Torsion. Aufgrund der Torsion verschieben sich die Magnetelemente 16 der Generatorelemente 10 relativ zueinander. D.h. die Magnetelemente 16 der einen Generatoreinheit 10 verschieben sich relativ zu den Magnetelementen 16 der anderen Generatoreinheit 10. Hierdurch erfahren die beiden Wechselsignale S1 ,S2 eine Phasenverschiebung ΔP. Die Auswerteeinheit 12 ist derart ausgebildet, dass sie die Phasenverschiebung ΔP erfasst. Die Phasenverschiebung ΔP ist mit der Torsion der Welle 4 und somit mit dem einwirkenden Drehmoment M korreliert, sodass aufgrund der erfassten Phasenverschiebung ΔP unter Berücksichtigung von beispielsweise mechanischen Eigenschaften der Welle 4 auf das einwirkende und somit anliegende Drehmoment M geschlossen werden kann.
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In 3 ist eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges 8 gezeigt. Das Kraftfahrzeug weist einen Motor 6 mit einem Motorgehäuse 20 auf. Zudem weist das Kraftfahrzeug ein Getriebe 22 mit einem Getriebegehäuse 24 auf. Der Motor 6 und das Getriebe 22 sind im Ausführungsbeispiel durch die als Antriebswelle ausgebildete Welle 4 mechanisch miteinander verbunden.
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Im Folgenden wird anhand des gezeigten Kraftfahrzeuges auf verschiedene mögliche Anordnungsvarianten der Sensorvorrichtung 2 eingegangen. Zum einen ist die Sensorvorrichtung 2' innerhalb des Motorgehäuses, beispielsweise an einer Motorwelle angeordnet. Diese Anordnung hat sich insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Frontantrieb als vorteilhaft erwiesen. Als zweite mögliche Anordnungsvariante ist die Sensorvorrichtung 2" wie bereits zuvor beschrieben an der Welle angeordnet. Als eine dritte mögliche Anordnungsvariante ist die Sensorvorrichtung 2"' innerhalb des Getriebegehäuses angeordnet. Insbesondere ist die Aufzählung der genannten Anordnungsvarianten nicht abschließend. Vielmehr ist eine Anordnung der Sensorvorrichtung 2 an jeder Welle 4 eines Kraftfahrzeuges 8 denkbar, die mit dem Drehmoment M des Motors 6 unmittelbar oder mittelbar beaufschlagt ist. Alternativ oder ergänzend ist die Sensorvorrichtung 2 beispielsweise an einem Differential eines Kraftfahrzeuges 8 angeordnet.
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In 4 ist ein skizzierter Verlauf Wechselsignale S1 ,S2 als Wechselspannungssignale in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt. Zum besseren Verständnis der bereits erwähnten Größen Phasenverschiebung ΔP und Amplituden A1 ,A2 sind diese in 4 grafisch dargestellt. Die unterschiedlichen Amplituden A1 ,A2 dienen im Ausführungsbeispiel einer Unterscheidung der beiden von jeweils einer Generatoreinheit 10 erzeugten Wechselsignalen S1 ,S2 .
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Die Erfindung ist nicht auf das/die vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel/vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel/mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Sensorvorrichtung
- 4
- Welle
- 6
- Motor
- 8
- Kraftfahrzeug
- 10
- Generatorelemente
- 12
- Auswerteeinheit
- 14
- Leitung
- 16
- Magnetelement
- 17
- Luftspalt
- 18
- Spulenelement
- 20
- Motorgehäuse
- 22
- Getriebe
- 24
- Getriebegehäuse
- A1,A2
- Amplituden der Wechselsignale
- D
- Durchmesser der Welle
- L
- Abstand der Generatorelemente
- M
- Drehmoment
- ΔP
- Phasenverschiebung
- R
- Achse der Welle
- S1,S2
- Wechselsignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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