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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerter Rotor, sowie einen gegenüber dem Rotor drehfesten Rotorlagesensor mit einem drehfest am Rotor angeordneten Sensortarget.
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Für die Regelung elektronisch kommutierter elektrischer Maschinen werden abhängig von der Winkelposition des Rotors elektrische Ansteuergrößen an Statorwicklungen der Maschine angelegt, um diese anzutreiben. Die Rotorlage wird in der Regel mit Hilfe eines Rotorlagesensors erfasst und einem Steuergerät zur Generierung der für die Kommutierung der elektrischen Maschine benötigten Ansteuersignale zugeführt. Rotorlagesensoren liefern entweder eine von der Lage des Rotors abhängige analoge elektrische Größe, z. B. eine Spannung, Signalpulse oder eine digitalisierte Angabe über die absolute Rotorlage. Aus dem Stand der Technik sind derartige Rotorlagesensoren grundsätzlich bekannt, bei denen ein am Rotor drehfest gelagerter Signalgeber (magnetisches Target) mittels eines am Stator drehfest gelagerten Magnetfeldsensors ausgelesen wird.
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So zeigt beispielsweise die
DE 10 2009 001 353 A1 eine Elektromaschine, umfassend einen Rotor mit einer Rotornabe, einen in einem Statorgehäuse angeordneten Stator, eine Abdeckung, welche an das Statorgehäuse angebunden ist und sich bis zum Innendurchmesser der Rotornabe erstreckt und über welche der Rotor mittels einer Rotorlagerung gelagert ist. Die Elektromaschine weist einen Rotorlagesensor zur Erfassung der Drehlage des Rotors gegenüber dem Magnetfeld des Stators auf. Der Rotorlagesensor ist derart auf der Abdeckung in der Nähe der Rotorlagerung angeordnet, dass als Geberspur des Rotorlagesensors die Rotornabe oder ein mit der Rotornabe drehfest verbundenes Bauteil dient.
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Es besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, die Rotorlagesensorik einer elektrischen Maschine besonders kompakt bauend und gleichzeitig montagefreundlich auszubilden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche einen kompakten Aufbau sowie eine montagefreundliche Rotorlagesensorik aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerter Rotor, sowie einen gegenüber dem Rotor drehfesten Rotorlagesensor mit einem drehfest am Rotor angeordneten Sensortarget, wobei der Rotorlagesensor mittels eines Federelements axial an einem drehfest gegenüber dem Rotor angeordneten, sich in einer radialen Ebene erstreckenden, Gehäusebauteil vorgespannt anliegt und radial und/oder in Umfangsrichtung formschlüssig an diesem gesichert ist.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine Montage der Rotorlagesensorik ermöglicht wird, ohne beispielsweise eine Schraubverbindung, welche den Rotorlagesensor durchgreift, an einem Gehäusebauteil der elektrischen Maschine zu sichern.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Rotorlagesensor als ein Hallsensor ausgeführt. Hallsensoren werden schon seit langem für Magnetfeldmessungen eingesetzt und bedürfen in Bezug auf ihre Verwendung hier keiner näheren Erläuterung.
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Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
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Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken.
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Das Gehäusebauteil kann ein lösbares oder unlösbares Bauteil eines Motorgehäuses sein. Das Motorgehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.
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Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Motorgehäuse ganz oder teilweise aus einem Kunststoff auszubilden. Ein Motorgehäuse ein einstückig oder mehrteilig ausgebildet sein.
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Der Rotor kann eine Rotorwelle umfassen und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
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Der Rotor der elektrischen Maschine kann einen Rotorkörper aufweisen. Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus dem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Magnetelementen sowie ggf vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der der Taschen u.d.
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Als Rotorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.
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Der Stator der elektrischen Maschine ist insbesondere für eine Radialflussmaschine konfiguriert. Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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Der Stator kann einen einteiligen oder segmentierten Statorkörper aufweisen. Ein einteiliger Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Statorkörper umfänglich gesehen einteilig ausgebildet ist. Der Statorkörper ist dabei in der Regel aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet, wobei jedes der Elektrobleche zu einem Kreisring geschlossen ausgebildet ist. Ein segmentiert aufgebauter Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einzelnen Statorsegmentteilen aufgebaut ist. Der Statorkörper kann dabei aus einzelnen Statorzähnen oder Statorzahngruppen aufgebaut sein, wobei jeder einzelne Statorzahn oder jede einzelne Statorzahngruppe aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet sein kann, wobei jedes der Elektrobleche als Statorsegmentblechteil ausgebildet ist.
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Der Rotorlagesensor ist insbesondere mit einer Steuereinrichtung verbunden. Unter einer Steuereinrichtung wird ein Steuergerät zur Ansteuerung der elektrischen Maschine zum Zwecke deren Betriebs verstanden. Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt ein Leistungselektronikmodul zur Bestromung des Stators oder Rotors umfassen. Ein Leistungselektronikmodul ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält das Leistungselektronikmodul Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B. Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 10 W, bevorzugt mindestens 100 W besonders bevorzugt mindestens 1000 Wzu steuern oder regeln.
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Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient der insbesondere elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme des Kraftfahrzeugs. Insbesondere kann eine Steuereinrichtung zur Steuerung und/oder Reglung einer elektrischen Maschine vorgesehen sein.
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Eine Steuereinrichtung weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinrichtung ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen, beispielsweise an elektrische Aktuatoren oder elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs.
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Innerhalb der Steuereinrichtung können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinrichtung eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.
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Die Steuereinrichtung kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinrichtung übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinrichtung einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.
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Eine Steuereinrichtung kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere zur Verwendung in einem Hybridmodul vorgesehen sein. In einem Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können ein Elektromotor und ein Kupplungssystem, insbesondere mit einer Trennkupplung zum Einkuppeln des Elektromotors in und/oder Auskuppeln des Elektromotors aus dem Antriebsstrang, in einem Hybridmodul vorhanden sein.
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Ein Hybridmodul kann je nach Eingriffspunkt des Elektromotors in den Antriebsstrang in die folgenden Kategorien P0-P4 eingeteilt werden:
- P0: der Elektromotor ist vor der Brennkraftmaschine angeordnet und beispielsweise über einen Riemen mit der Brennkraftmaschine gekoppelt. Bei dieser Anordnung des Elektromotors wird dieser auch gelegentlich als Riemenstartergenerator (RSG) bezeichnet,
- P1: der Elektromotor ist direkt hinter der Brennkraftmaschine angeordnet. Die Anordnung des Elektromotors kann beispielsweise kurbelwellenfest vor der Anfahrkupplung erfolgen,
- P2: der Elektromotor ist zwischen einer häufig als K0 bezeichneten Trennkupplung und der Anfahrkupplung aber vor dem Fahrzeuggetriebe im Antriebsstrang angeordnet,
- P3: der Elektromotor ist im Fahrzeuggetriebe und/oder der Getriebeausgangswelle angeordnet,
- P4: der Elektromotor ist an einer bestehenden oder separaten Fahrzeugachse angeordnet und
- P5: der Elektromotor ist am oder im Fahrzeugrad angeordnet, beispielsweise als Radnabenmotor.
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Besonders bevorzugt ist es, die erfindungsgemäße elektrische Maschine für eine Verwendung in einem P2- oder P3-Hybridmodul vorzusehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Federelement eine Tellerfeder ist, die sich einerseits an einem in einer Nut axial fixierten Sicherungsring und andererseits an dem Rotorlagesensor abstützt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine fertigungstechnisch einfache sowie montagefreundliche Anlagefläche für die Tellerfeder bereitgestellt werden kann.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass sich das Federelement einerseits an einer mit dem Gehäusebauteil verschraubten Mutter und andererseits an dem Rotorlagesensor abstützt. Es kann hierdurch erreicht werden, dass die Federvorspannung des Federelements durch die Position der Mutter einstellbar ist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Federelement aus dem Sicherungsring gebildet ist, der in der gefasten Nut aufgenommen ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass eine gewisse axiale Selbstsicherung des Sicherungsrings bewirkt werden kann, indem der Sicherungsring durch die Fasung in eine definierte Endlage gezwungen wird. Durch das Zusammenwirken der gefasten Nut und dem Sicherungsring ergibt sich auch eine Federwirkung, so dass hierdurch auf ein gesondertes Federelement verzichtet werden kann, da die gefaste Nut und der Sicherungsring das Federelement ausbilden.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Rotor einen im Wesentlichen zylinderförmigen Rotorträger aufweist, an welchem das Sensortarget drehfest fixiert ist.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Gehäusebauteil im Axialschnitt eine im Wesentlichen L-förmige Kontur aufweist, mit einem axial verlaufenden Gehäuseabschnitt und mit einem sich in die radiale Ebene radial erstreckenden Gehäuseabschnitt, was sich als fertigungstechnisch und konstruktiv günstig erwiesen hat.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Gehäusebauteil aus einem Blech geformt ist, wodurch eine kostengünstige Fertigung weiter optimiert werden kann.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Rotorlagesensor mittels eines Passstiftes radial und/oder in Umfangsrichtung formschlüssig an dem sich radial erstreckenden Gehäuseabschnitt gesichert ist. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt ist, dass eine besonders montagefreundliche Steckmontage ermöglicht wird, bei gleichzeitiger radialer und/oder umfänglicher Positionssicherung des Rotorlagesensors gegenüber dem Gehäuseabschnitt. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass der Passstift in einer Bohrung des sich radial erstreckenden Gehäuseabschnitts eingesetzt ist.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die elektrische Maschine als Radialflussmaschine ausgebildet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine erste Ausführungsform einer elektrischen Maschine in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
- 2 eine zweite Ausführungsform einer elektrischen Maschine in einer schematischen Axialschnittdarstellung, und
- 3 eine dritte Ausführungsform einer elektrischen Maschine in einer schematischen Axialschnittdarstellung.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer als Radialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine 1 umfassend einen Stator 2 und einen gegenüber dem Stator 2 drehbar gelagerter Rotor 3, sowie einen gegenüber dem Rotor 3 drehfesten Rotorlagesensor 4 mit einem drehfest am Rotor 3 angeordneten Sensortarget 5.
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Der Rotorlagesensor 4 ist mittels eines Federelements 6 axial an einem drehfest gegenüber dem Rotor 3 angeordneten, sich in einer radialen Ebene 10 erstreckenden, Gehäusebauteil 7 vorgespannt und radial sowie in Umfangsrichtung formschlüssig an diesem gesichert.
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Der Rotor 3 besitzt einen im Wesentlichen zylinderförmigen Rotorträger 11, an welchem das Sensortarget 5 drehfest fixiert ist. Das aus einem Blech geformte Gehäusebauteil 7 weist im Axialschnitt eine im Wesentlichen L-förmige Kontur auf, mit einem axial verlaufenden Gehäuseabschnitt 12 und mit einem sich in die radiale Ebene 10 radial erstreckenden Gehäuseabschnitt 13.
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In der gezeigten Ausführungsform ist das Federelement 6 als eine Tellerfeder ausgebildet, die sich einerseits an einem in einer Nut 8 axial fixierten Sicherungsring 9 und andererseits an dem Rotorlagesensor 4 abstützt.
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Die 2-3 zeigen hierzu alternative axiale Sicherungsmöglichkeiten. Der 2 ist beispielsweise entnehmbar, dass sich das Federelement 6 einerseits an einer mit dem Gehäusebauteil 7 verschraubten Mutter 14 und andererseits an dem Rotorlagesensor 4 abstützt, während in der Ausführungsform der 3 das Federelement 6 aus dem Sicherungsring 9 gebildet ist, der in der gefasten Nut 8 aufgenommen ist.
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In allen gezeigten Ausführungsbeispielen der 1-3 ist der Rotorlagesensor 4 mittels eines Passstiftes 15 radial und in Umfangsrichtung formschlüssig an dem sich radial erstreckenden Gehäuseabschnitt 13. Der Passstift 15 ist hierzu in einer Bohrung des sich radial erstreckenden Gehäuseabschnitts 13 eingesetzt.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Rotorlagesensor
- 5
- Sensortarget
- 6
- Federelement
- 7
- Gehäusebauteil
- 8
- Nut
- 9
- Sicherungsring
- 10
- Ebene
- 11
- Rotorträger
- 12
- Gehäuseabschnitt
- 13
- Gehäuseabschnitt
- 14
- Mutter
- 15
- Passstift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009001353 A1 [0003]
