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Die Erfindung betrifft ein Lager mit Magnetfelddetektor
entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs, welches
eine Anzeige der Winkelbewegung des Drehteils bezüglich
eines koaxialen ringförmigen Ringes liefert.
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Die Veröffentlichung EP-A-0 213 732 beschreibt einen
Magnetring zur Detektion der Drehung eines Körpers zur
Anordnung auf diesem Körper und zur Erzeugung eines
magnetischen Signals, das mit einem Detektor zusammenwirkt.
Der magnetische Ring besitzt eine Magnetisierung, die durch
eine Vielzahl von magnetischen Polen entgegengesetzten
Vorzeichens gebildet wird.
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Das Patent US 37 16 788 beschreibt einen Detektor mit
variablem magnetischen Widerstand, der einer
Radlageranordnung zugefügt wird, um die Geschwindigkeit der
Achse zu messen. Ein gezahnter Rotor ist auf einem inneren
drehbaren Lagerring ausgebildet, der gegenüber einem
gezahnten Stator angeordnet ist, der am äußeren
feststehenden Lagerring befestigt ist. Der äußere Ring
trägt ebenfalls den magnetischen Fühler, welche eine
Spannung erzeugt als Funktion der Änderungen des durch
Ausrichtung der Zähne des Stators und des Rotors während
der Drehung induzierten magnetischen Flusses. Die Frequenz
des erzeugten Wechselstromes ist proportional zur
Drehgeschwindigkeit der Achse. Ein vergleichbarer
Geschwindigkeitsdetektor ist im US-Patent 38 26 933
beschrieben. Der Geschwindigkeitsdetektor weist eine
magnetische Fangspule auf, die am feststehenden Ring eines
Lagers befestigt ist, während ein Rad mit ferromagnetischen
Zähnen am drehbaren Ring des Rollenlagers befestigt ist.
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Das US-Patent 40 69 435 beschreibt eine Vorrichtung zur
Detektion der Relativbewegung in einem Lager. Diese
Anordnung besteht aus einer magnetischen Meßspule, die an
der Verbindung des am Lager befestigten Außenringes
angeordnet ist. Ein gezahntes Rad ist am Drehring des
Lagers befestigt. Während der Drehung der Zähne werden die
Variationen des Magnetfeldes vom Mgnetfühler erfaßt. Die
Frequenz der gemessenen Variationen kann verwendet werden,
um die Geschwindigkeit und die Beschleunigung zu errechnen.
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Gemäß dem US-Patent 46 88 951 ist ein elektrischer
Schaltkreis an einem der beiden Lagerringe befestigt, um
das Magnetfeld zu erzeugen.
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Die bekannten, oben beschriebenen Detektionsvorrichtungen
weisen zahlreiche Nachteile auf. Die Detektoren mit
variablem magnetischen Widerstand erzeugen ein
Spannungssignal am Ausgang, dessen Frequenz und Amplitude
proportional zur Geschwindigkeit sind.
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Bei geringen Geschwindigkeiten ist das Ausgangssignal
schwach und kann ungenau sein. Sofern die obengenannten
Detektoren den Lagern hinzugefügt werden, ist außerdem der
Raumbedarf der Lager größer aufgrund der zusätzlichen
Detektions-Bauteile. Die mechanische Präzision und die
Genauigkeit des Signals nehmen aufgrund zunehmender
Toleranzen ab und der gesamte Aufbau wird komplizierter.
Ferner sind derartige Lager schwierig einzubauen und
benötigen gelegentlich einen vom Detektor getrennten
Einbauvorgang.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Lager, das mit einem
Magnetfelddetektor versehen ist, welches aus einem oder
mehreren Detektoren besteht. Das Lager ist mit einem
permanenten Magnetfeld bestückt, unabhängig von der
Relativgeschwindigkeit eines Teils bezüglich eines anderen
und insbesondere auch dann, wenn die Geschwindigkeit Null
ist, wodurch man ein einfacheres und kostengünstigeres
Lager erhält, verglichen mit den anderen Lagern, welche
Magnetfelddetektoren enthalten, die jedoch einen
elektrischen Schaltkreis benötigen, um das Magnetfeld zu
erzeugen.
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Erfindungsgemäß weist das Lager, das sich insbesondere aus
einem ersten Teil und einem zweiten, relativ zum ersten
Teil drehbaren Teil zusammensetzt, eine Anordnung auf,
welche ein permantes Magnetfeld erzeugt, sowie eine
Magnetfelddetektoranordnung.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile gehen aus der
nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den
beigefügten Zeichnungen hervor; es zeigen:
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Fig. 1 einen teilweisen Axialschnitt durch ein
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
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Fig. 2 eine Frontansicht des permeablen Ringteils von Fig.
1;
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Fig. 3 einen teilweisen Axialschnitt durch ein zweites
Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;
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Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 3 im
Klemmsitz gezeigten Ringes;
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Fig. 5 einen teilweisen Axialschnitt eines dritten
Ausführungsbeispiels nach der Erfindung;
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Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des magnetisierten
Ringes gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5;
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Fig. 7 eine teilweise perspektivische Ansicht des
Außenrings gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5;
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Fig. 8 einen teilweisen Schnitt durch ein viertes
Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;
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Fig. 9 einen Teilschnitt durch ein fünftes
Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;
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Fig. 10 eine Frontansicht des magnetischen Anschlagringes
unter Bezug auf Fig. 9; und
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Fig. 11 eine Frontansicht des Anschlagringes nach Fig. 9
mit eingebautem Magnetfelddetektor.
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 erkennt man
eine drehbare Welle 12, die einen koaxialen Ring 14
durchsetzt, der einen radialen Abstand von der drehbaren
Welle 12 aufweist. Eine Vielzahl von Rollen 16 sind in dem
ringförmigen Raum zwischen der drehbaren Welle und dem
koaxialen Ring 14 angeordnet. Die Rollen drehen sich um die
drehbare Welle entlang eines axialen Abschnitts 18 der
kreisförmigen Oberfläche der drehbaren Welle. Der axiale
Abschnitt 18 dient also als Rollweg. Die Innenfläche 20 des
koaxialen Ringes dient ebenfalls als Rollweg für die Rollen
16.
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Im folgenden wird unter dem Ausdruck "Rollweg" eine
jegliche Fläche verstanden, entlang derer ein Rollkörper,
wie z.B. die Rolle 16, entlangrollt.
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Der Rollweg 20 des Ringes 14 ist zum Rollweg 18 der Welle
12 ausgerichtet und radial zu ihm beabstandet. Die Rollen
16 werden in der geeigneten axialen Stellung auf den
Rollwegen durch kreisförmige Schultern 22 und 24 des Ringes
14 gehalten
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Auf der Innenfläche 28 des Ringes 14 ist ein Magnet 26
angeordnet. Der Magnet ist axial von den Rollen durch die
kreisförmige Schulter 24 getrennt.
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Ein Magnetfelddetektor 30, z.B. ein magnetoresistiver
Detektor mit Halleffekt oder mit Wiegandeffekt, ist auf
einer Halterung 29 angeordnet, die mit der Innenfläche des
Ringes 14 verbunden ist. Der Magnetfelddetektor ist axial
zum Magneten 26 ausgerichtet und axial zu ihm beabstandet.
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Ein Ringförmiges, für den magnetischen Fluß permeables
Bauteil 32 ist fest mit dem Umfang der drehbaren Welle 12
Verbunden. Das Permeable ringförmige Bauteil 32 erstreckt
sich radial zwischen dem Permanentmagneten 26 und dem
Detektor 30. Das permeable ringförmige Bauteil kann
beispielsweise ein Flügelraduterbrecher sein (Fig. 2), der
mit der drehbaren Welle verbunden ist und sich mit ihr
dreht.
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Dieser in Fig. 2 gezeigte Flügelradunterbrecher 32 weist
eine Vielzahl von Zähnen 34 auf, die im gleichmäßigen
Abstand voneinander entlang des Umfangs angeordnet sind und
dergestalt Öffnungen oder Nuten 36 bilden, die gleichmäßig
entlang des Umfangs verteilt sind. Die Nuten sind radial
angeordnet und ermöglichen es dem magnetischen Fluß, vom
Magneten 26 zum Detektor 30 durch eine Nut 36
hindurchzufließen, sowie entlang des Ringes 14 und zum
Magneten zurückzukehren, wenn eine Nut axial zum Magneten
und zum Detektor ausgerichtet ist.
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Im Betrieb erzeugt der Magnet 26 ein permanetes Magnetfeld.
Der magnetische Fluß folgt normalerweise dem vollständigen
Weg über den Detektor 30 und den Ring 14 zurück zum
Magneten. Da sich jedoch der Flügelradunterbrecher 32
dreht, verhindern die Zähne 34 einen magnetischen Fluß in
Richtung des Ringes 14, der demzufolge zum Magneten
zurückkehrt, ohne den Detektor durchflossen zu haben. Der
Detektor erzeugt demzufolge ein unterbrochenes Signal,
welches die zunehmenden winkelmäßigen Verschiebeeinheiten
der Achse 12 bezüglich des feststehenden Ringes 14 anzeigt.
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Je nach dem elektronischen Schaltkreis, welcher das
Detektorsignal verarbeitet, kann das Ausgangssignal ein
analoges oder ein numerisches Signal sein. Veränderungen
der absoluten Amplitude des Ausgangssignales zeigen eine
zunehmende Folge von Winkelverschiebungen an.
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In Fig. 3 ist die drehbare Welle 12 in einem koaxialen Ring
38 mittels Rollen 16 gelagert, die so ausgelegt sind, daß
sie in einem ringförmigen Raum rollen, welcher den Rollweg
14 auf der drehbaren Welle 12 vom Rollweg 42 auf der
Innenfläche des Ringes 38 trennt.
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Ein Detektor 44 ist auf der Innenfläche 46 des Ringes 38
vorgesehen. Der Detektor wird in Axialstellung durch eine
Unterlegscheibe 48 gehalten, die sich auf der ringförmigen
Schulter 50 abstützt, sowie durch eine kreisförmige
Schulter 52 an einem Ende des Ringes 38. Die Rollen 16
werden auf den Rollwegen 40 und 42 der drehbaren Welle 12
bzw. des Ringes 38 durch die Anschlagscheibe 48 und die
kreisförmige Schulter 54 am anderen Ende des Ringes 38
gehalten.
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Die Anordnung zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes
besteht aus einem permanent-magnetisierten
ferromagnetischen Ring 56, der im Klemmsitz auf der
drehbaren Welle 12 sitzt. Im folgenden sowie in den
Ansprüchen wird unter ferromagnetisch ein Stoff verstanden,
der nach einer Einmalmagnetisierung auch bei Fehlen eines
äußeren Magnetfeldes eine permanente Magnetisierung
beibehält. Ein axialer Abschnitt 58 des ferromagnetischen
Ringes 56 ist entlang des Umfangs mit einer Vielzahl von
Segmenten magnetischer Pole 60 versehen. Jedes Segment 60
besitzt einen Nordpol und einen Südpol. Diese Segmente sind
derart angeordnet, daß jeder Nordpol zwischen zwei Südpolen
angeordnet ist und jeder Südpol zwischen zwei Nordpolen
angeordnet ist.
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Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die
drehbare Welle in einem Ring 62 angeordnet, der eine
Senkung 64 aufweist. Die Rollen werden axial zwischen den
Rollwegen 65 und 67 des Ringes 62 bzw. der drehbaren Welle
12 durch eine ringförmige Schulter 66, die durch einen
kreisförmigen Flansch 68 in der Nähe eines axialen Endes
der Rollen gebildet wird und durch die ringförmige Schulter
70 in der Nähe des anderen axialen Endes der Rollen
gehalten.
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Ein Detektor 72 ist auf einer Halterung 74 angeordnet,
welche radial nach innen zur inneren ringförmigen Fläche 76
der Senkung 64 hin vorspringt, mit der sie verbunden ist.
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Die Anordnung zur Erzeugung des permanenten Magnetfeldes
besteht aus einem ferromagnetischen Ring 77, der auf der
drehbaren Welle 12 mittels eines Ringes 78 befestigt ist.
Der ferromagnetische Ring 77 weist eine
Permanentmagnetisierung auf, um so eine Vielzahl von
Segmenten 60 mit magnetischen Polen entlang des gesamten
Umfanges zu bilden. Jedes Segment weist einen Nordpol und
einen Südpol auf.
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Die Segmente sind derart angeordnet, daß jeder Nordpol
zwischen zwei Südpolen angeordnet ist und jeder Südpol
zwischen zwei Nordpolen angeordnet ist.
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Gemäß Fig. 8 sind die Rollkörper Kugeln 80, wobei eine der
Rollwege der Kugeln 80 durch einen inneren Ring 82 gebildet
wird. Ein äußerer koaxialer Ring 84 ist im radialen Abstand
bezüglich des inneren Ringes 82 angeordnet. Die Rollwege
der Kugeln 80 werden durch eine ringförmige Außennut 86 auf
dem inneren Ring 82 und durch eine ringförmige Nut 87 auf
der Innenfläche des äußeren koaxialen Ringes 84 gebildet.
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Eine Senkung 88 erstreckt sich von einem axialen Ende des
äußeren Ringes 84 aus. Ein Detektor 90 ist auf einer
Halterung 92 befestigt, die sich radial nach innen,
ausgehend von der Innenfläche 95 der Senkung 88 erstreckt,
auf welcher die Halterung 92 befestigt ist.
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Eine axiale Verlängerung 96 des inneren Ringes 82 weist
eine Permanentmagnetisierung entlang des gesamten Umfanges
mit einer magnetischen Struktur auf.
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Diese Struktur entspricht derjenigen des magnetischen
Feldes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen ein Längslager mit einer
ersten ringförmigen Längsplatte 98 und einer zweiten
ringförmigen Längsplatte 100, die einen axialen Abstand
voneinander aufweisen. Der ringförmige Rollweg 102 in
radialer Verlängerung der Längsplatte 98 und der Rollweg
104 in radialer Verlängerung der ringförmigen Längsplatte
100 liegen sich gegenüber. Die Anordnung für das permanente
Magnetfeld besteht aus einer Vielzahl von
permanentmagnetisierten Segmenten 106 (Fig. 10). Die Segmente mit
magnetischen Polen sind in einer Struktur angeordnet
entlang des gesamten Umfangs eines radialen Abschnitts 108
der Längsplatte 98. Wie Fig. 10 zeigt, weist ein Segment
106 einen Nordpol und einen Südpol auf, wobei die Segmente
derart angeordnet sind, daß jeder Nordpol zwischen zwei
Südpolen und jeder Südpol zwischen zwei Nordpolen
angeordnet ist.
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Eine ringförmige Kunststoffhalterung 109 für den Detektor
ist mit einer Aussparung oder Senkung 110 versehen, in
welche die Längsplatte 100 eingreift. Der Rand der äußeren
Umfangswand 111 der Aussparung gewährleistet die
Haltefunktion 112 und erstreckt sich nach innen bis
jenseits des äußeren Umfangsrandes eines Haltekäfigs 113
für die Rollen 114, die demzufolge in der Senkung 110
angeordnet sind.
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Eine Nut 115 mündet ausgehend vom Umfangsrand der Halterung
109 des Detektors in der Senkung 110 (Fig. 11). Die
Magnetfeldetektoranordnung besteht aus einem Detektor 116,
der mittels eines Kunstharzes 117 in die Nut 115 in der
Nähe der Struktur der magnetischen Pole der Längsplatte 98
befestigt ist. Gegebenenfalls kann ein magnetischer
Flußkonzentrator 118 (Fig. 11) entlang des Umfangs in der
Nähe des Detektors 116 vorgesehen sein. Dieser Konzentrator
für den magnetischen Fluß erleichtert die Verwirklichung
des magnetischen Kreises eines Paares abwechselnder Pole
des drehbaren Ringes bis zum Detektor des feststehenden
Ringes. Ist demzufolge der Detektor 116 auf das Niveau
eines magnetischen Segments konzentriert, so ist der
Konzentrator 118 für den magnetischen Fluß auf das Niveau
eines benachbarten Segmentes mit magnetischen Polen
umgekehrter Polarität zentriert, um eine vollständige
Passage des magnetischen Flusses zu gewährleisten.
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Während des Einsatzes sämtlicher Ausführungsbeispiele
werden während des Vorbeilaufes eines jeden Segments
abwechselnder Polarität vor dem Detektor durch die
Polarität und die Intensität des Magnetfeldes elektrische
Signale erzeugt, die vom Detektor abgegeben werden.
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Dieses Spannungssignal kann anschließend durch Schaltkreise
weiterverarbeitet werden, um ein Ausgangssignal zu
erzeugen, welches eine zunehmende Einheit der
Winkelverschiebung darstellt. Diese Einheit ist gleich der
Anzahl der Winkelgrade für jedes Polsegment. Die Verwendung
von Intensitätsdetektoren für das magnetische Feld gemäß
der Erfindung ermöglicht die Erzeugung eines Signals bei
sämtlichen Geschwindigkeiten einschließlich der
Geschwindigkeit Null.
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Abhängig vom elektronischen Schaltkreis zur Verarbeitung
des vom Detektor gelieferten Signals kann das
Ausgangssignal ein analoges oder numerisches Signal sein.
Die Veränderungen der Amplitude des Ausgangssignales zeigen
eine zunehmende schrittweise Winkelverschiebung an. Das der
Winkelverschiebung entsprechende Signal kann anschließend
durch einen integrierten Schaltkreis im Detektor
verarbeitet werden, um ein Stellungssignal, ein
Geschwindigkeitssignal oder ein Beschleunigungssignal zu
erhalten.
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Die Tatsache, eine magnetische Struktur in einem sich
drehenden Bauteil zu integrieren, um die zunehmende
Drehbewegung anzuzeigen, beseitigt die Notwendigkeit, dem
Lager eine getrennte Anzeigeanordnung hinzuzufügen.
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Die Magnetisierung des drehbaren Bauteils in Form einer
großen Anzahl von Segmenten erlaubt darüber hinaus eine
sehr hohe Auflösung.
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Obwohl sich die oben beschriebenen verschiedenen
Ausführungsbeispiele insbesondere für die Lagertechnologie
eignen, kann die Erfindung ebenfalls in Lagern verwendet
werden, welche keine Rollkörper aufweisen, und zwar
insbesondere in Lagern, in denen sich ein Teil bezüglich
eines anderen Teils dreht. Außerdem müssen Anordnungen
vorgesehen sein, um ein permanentes Magnetfeld zu erzeugen,
sowie wenigstens einen Detektor zur Messung des
magnetischen Flusses. So können auch Zapfenlager ohne
Rollkörper in den Anwendungsbereich der Erfindung fallen
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Das in Fig. 8 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen
drehbaren Innenring und einen feststehenden Außenring auf.
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Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß der Detektor auf
einen feststehenden Innenring angeordnet ist und die
magnetisierte Struktur auf einem drehbaren Außenring.
Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen davon
ausgegangen wurde, daß ein Bauteil feststeht und ein
Bauteil sich dreht, können auch beide Bauteile als
Drehteile ausgeführt sein mit Angabe der Drehrichtung des
einen Bauteils bezüglich des anderen Bauteils.
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Bei allen beschriebenen Beispielen befindet sich die
magnetische Struktur auf dem Drehteil, während der Detektor
auf dem feststehenden Teil angeordnet ist. Der Vorteil
dieser Anordnung liegt darin, daß keine Zuleitung oder kein
elektronischer Schaltkreis auf dem sich drehenden Bauteil
vorgesehen werden muß. Ist jedoch das Vorhandensein einer
derartigen Zuleitung oder eines elektronischen
Schaltkreises auf dem sich drehenden Bauteil möglich, so
kann die magnetische Struktur im feststehenden Bauteil
integriert sein, während der Detektor am drehbaren Bauteil
angeordnet ist.