WO2010003801A1 - System for detecting a rotating magnetic field - Google Patents

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WO2010003801A1
WO2010003801A1 PCT/EP2009/057628 EP2009057628W WO2010003801A1 WO 2010003801 A1 WO2010003801 A1 WO 2010003801A1 EP 2009057628 W EP2009057628 W EP 2009057628W WO 2010003801 A1 WO2010003801 A1 WO 2010003801A1
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sensor
sensor magnet
magnetic field
magnet
contour
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PCT/EP2009/057628
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Rolf Baumann
Steven Andrew Evans
Jochen Geissler
Marcus Meyer
Tilo Koenig
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting a rotating magnetic field according to the preamble of claim 1.
  • the information about the current rotational position of the rotor in the engine plays an important role, for example in drive motors of wipers in motor vehicles, in actuators for transmission or hydraulic systems or in electrical actuatable steering drives.
  • To determine the rotational position devices for detecting a rotating magnetic field are often used, which include a sensor or encoder magnet and a magnetic field sensor for detecting the magnetic field generated by the sensor magnet.
  • the sensor magnet is rotatably connected to the rotor of the electric motor and therefore has the same speed as the rotor.
  • the periodically changing magnetic field of the rotating sensor magnet is detected by the magnetic field sensor, from which the current rotational angle of the rotor can be determined.
  • two-pole magnetized plates or disks are usually used as sensor magnets, wherein the sensor is arranged at a distance from the magnet surface and detects the rotating magnetic field.
  • the relative position of the sensor Based on the sensor magnet has a significant influence on the strength of the detected signal, since the amplitude of the signal drops sharply with increasing distance to the magnetic surface.
  • the position of the sensor relative to the sensor magnet has a high influence on the quality of the measurement result, so that manufacturing and component tolerances have a relatively strong effect, in particular with a small distance to the magnet.
  • increasing the distance to the magnet surface reduces the dependence on tolerances, at the same time the magnetic flux density decreases, so that more sensitive sensors must be used.
  • the invention is based on the object, with simple design measures, a device for detecting a rotating magnetic field comprising a sensor magnet and an associated sensor, form so that the sensor signals are less dependent on the position of the sensor relative to the magnet, i. that on the one hand the
  • the inventive device for detecting a rotating magnetic field is preferably used in electric motors, in particular as a servomotor of an aggregate or accessory in a motor vehicle, for example as a wiper motor in wiper devices, as a window motor or possibly also as a servo motor for transmission or hydraulic systems, in a steering or brake system.
  • the device comprises a donor or
  • the magnetic field generated during the rotation of the sensor magnet is detected by the magnetic field sensor and can be used to calculate the rotational angle position or a change in the rotational angular position.
  • the sensor magnet is at least approximately annular and includes an inner recess at least partially, in which the
  • Magnetic field lines run between the poles of the magnet; the inner recess forms a magnetic field line space enclosed by the surrounding ring of the sensor magnet.
  • the magnetic field sensor is arranged within an envelope bounded by the inner recess, but at an axial distance from the inner recess. This means that although the sensor is arranged at an axial distance from the magnet, but directly above the inner recess in the magnet, the envelope coincides with the inner wall of the annular sensor magnet, which delimits the inner recess or magnetic field space, but axially projects beyond the inner wall.
  • the magnetic field lines extend within the inner recess at least approximately parallel to the center plane of the annular sensor magnet. With axial distance to the front of the
  • Sensor magnets take the field lines of the magnetic field a curved course, which has been shown in the device according to the invention that even at an axial distance from the top of the magnet, a constant flux density can be achieved. Due to the positioning of the sensor within the limited space of the envelope, a reduction of the dependence of the sensor signals is achieved by the center distance, so that on the one hand component and assembly tolerances impact less on the sensor result and on the other hand, the sensors in a much larger Achsabstands Scheme can be used to the magnet. Accordingly, also cheaper - A -
  • Magnetic materials used and / or smaller sized sensor magnets are used.
  • a GMR sensor As a magnetic field sensor, a GMR sensor (Giant Magneto Resistance) is preferably used. Here, a significant reduction in length can be achieved. In principle, however, is also an application of other magnetic field sensors into consideration, such as AMR sensors (anisotropic magnetoresistive effect).
  • central recess in the magnet further conditions may be met, in particular constructive conditions that contribute to an optimization of the desired effect ,
  • a certain ratio of inner diameter to outer diameter of the sensor magnet is predetermined, wherein the ratio is preferably between 0.1 and 0.5. If the ratio is close to the value 0.5, this means that the magnet has a relatively large inner recess in relation to the outer diameter, as a result of which the region in which the sensor can be positioned axially above the magnet is correspondingly increased.
  • the sensor magnet has proven expedient to equip the sensor magnet with an overall axial height or thickness of 1 mm to about 8 mm.
  • the outer diameter of the sensor magnet is preferably 5 mm to 50 mm.
  • the radial outer contour and the radial inner contour of the sensor magnet extend at least approximately concentrically with one another.
  • the inner contour is circular, accordingly, the enclosing the magnetic field line inner space limiting cylinder shape.
  • circular contours are also non-circular, concentric outer and inner contours into consideration, for example, angular contours such as square or rectangular. In principle, non-concentric designs are possible.
  • the transition from the outer contour to an axial end face of the sensor magnet in particular that side on which the sensor is arranged, be designed symmetrically to the transition from the inner contour to the same axial end face.
  • a chamfer on the inner contour and / or the outer contour it being possible to provide both different chamfer angles and the same chamfer angle, for example a chamfer angle of 45 °.
  • a rounded bevel can also be provided, in particular with a constant radius.
  • the axial height of the chamfer is, based on the total height of the sensor magnet, between 10% and 90%, for example 50% or 60%. In symmetrical design, the radially inner chamfer is the same design as the radially outer chamfer.
  • the magnetic field sensor is arranged along the longitudinal axis of the sensor magnet.
  • the magnetic field lines of the sensor magnet extend at least approximately perpendicular to the axis, whereas with lateral distance from the axis, the magnetic field lines are directed at an angle to the axis.
  • the constant angle of about 90 ° along the axis allows the Position the sensor at different axis positions along the axis, without this being accompanied by a significantly changing flux density.
  • the design of the sensor magnet with inner recess has the advantage that in the case of a deviation of the sensor magnet or sensor position from the longitudinal axis, the generated measurement signal has a smaller angular deviation due to the more homogeneous magnetic field compared to prior art embodiments.
  • FIG. 1 is a perspective view of a device for detecting a rotating magnetic field, with an annular sensor magnet having a central recess, and a magnetic field sensor, which is arranged at an axial distance along the longitudinal axis of the sensor magnet,
  • Fig. 3 to 10 different embodiments for the structural design of the sensor magnet.
  • a device 1 for detecting a rotating magnetic field consisting of an annular
  • the magnetic field 5 which emanates from the sensor or encoder magnet 2, extends in a magnetic field line or interior, which is designed as an inner recess 6 of the annular sensor magnet 2, approximately parallel to the median plane of the sensor magnet 2.
  • the magnetic field lines emerge from the sensor magnet and describe, starting from a pole of the bipolar, with north pole N and south pole S designated magnet, an arc in which the magnetic field lines at the second pole again enter the material of the sensor magnet.
  • a is located above the sensor magnet 2 of the magnetic field sensor 3, which is arranged in particular along the longitudinal axis 4 of the sensor magnet 2.
  • the magnetic field lines of the magnetic field 5 also extend approximately parallel to the plane of the sensor magnet.
  • the magnetic field sensor 3 may optionally also be arranged with lateral deviation with respect to the longitudinal axis 4, but it is preferably located within an envelope which is guided through the inner side or contour 8 of the inner recess 6 within the sensor magnet 2 and extends parallel to the axis in the axial direction Longitudinal axis 4 extends.
  • the magnetic field sensor 3 is in particular a GMR sensor.
  • other sensor types are also considered, in particular AMR sensors, TMR sensors, Hall sensors, P-Hall sensors or other sensor types.
  • plastic-bonded magnetic materials containing, for example, ferrite, SmCo or NdFeB. Basically, however, sintered materials made of ferrite, SmCo or NdFeB come into consideration.
  • the device 1 is preferably used for position detection of the rotor of an electric motor.
  • the sensor magnet 2 is rotatably connected to the rotor of the electric motor, whereas the magnetic field sensor 3 is arranged fixed to the housing.
  • the magnetic field sensor 3 is arranged fixed to the housing.
  • Magnetic field sensor fixed to the rotor and the sensor or encoder magnet is fixed to the housing.
  • the sensor magnet 2 is shown in section.
  • the overall height or thickness is denoted by h, the inner diameter of the inner recess 6 by d, the outer diameter of the outer contour 7 with D.
  • a chamfer 9 or 10 which assumes an angle ⁇ or ⁇ relative to the longitudinal axis 4 or a parallel to the longitudinal axis.
  • the angles ⁇ and ß are equal, they are about 45 °. In principle, however, different angles ⁇ and ⁇ for the chamfer 9 or 10 on the outer contour 7 or the inner contour 8 come into consideration.
  • the axial height of the chamfers 9 and 10 is denoted by c.
  • the axial height c of the chamfers 9 and 10 is between 10% and 90% of the total axial height h of the sensor magnet. In the exemplary embodiment, c is about 60% of h.
  • the ratio d to D of inner diameter d to outer diameter D is preferably between 0.1 and 0.7.
  • the outer diameter D is advantageously 5 mm to 50 mm
  • the total axial height h is 1 mm to 8 mm.
  • the sensor magnet 2 is designed as a cylindrical ring with a continuous cylindrical outer contour 7 and inner contour 8 in the region of the inner recess 6.
  • the outer contour 7 is cylindrical
  • the inner contour 8 has a chamfer 10.
  • the envelope through the inner contour 8 can either be placed in the region of the cylindrical portion through the inner contour 8 or, according to an alternative embodiment, by the transition between the chamfer 10 and the end face of the sensor magnet 2, the mounted in the Condition facing the magnetic field sensor; in the latter case, the chamfer is enclosed by the envelope.
  • chamfer 9 is provided in the region of the outer contour 7, whereas the inner contour 8 is cylindrical and without chamfer.
  • both a chamfer 9 in the region of the outer contour 7 and a chamfer 10 in the region of the inner contour 8 are provided; This embodiment corresponds to that of FIG. 2.
  • a chamfer is also provided on the inside and the outside, wherein the transition of the chamfer 10 is formed rounded in the region of the inner contour to the cylindrical portion of the inner contour.
  • Figures 8 and 9 substantially correspond to the embodiment of FIG. 7, but with increasing rounding in the transition between the cylindrical inner contour of the chamfer 10th
  • the chamfer 10 extends radially outward until reaching the outer chamfer 9, which is associated with the outer contour 7.

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Abstract

A system for detecting a rotating magnetic field comprises a sensor magnet and a magnetic field sensor, wherein the sensor magnet and the magnetic field sensor can perform a rotational movement relative to one another. The sensor magnet has an inner recess, wherein the magnetic field sensor is arranged within an envelope bounding said recess, but at an axial distance from the sensor magnet.

Description

BeSchreibungDescription
Titeltitle
Einrichtung zur Erfassung eines rotierenden MagnetfeldsDevice for detecting a rotating magnetic field
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung eines rotierenden Magnetfelds nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a device for detecting a rotating magnetic field according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Bei dem Einsatz von Elektromotoren für den Antrieb von Aggregaten oder Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen spielt in der Regel die Information über die aktuelle Drehlage 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. Gebermagneten und einen Magnetfeldsensor zur Detektierung des vom Sensormagneten erzeugten Magnetfeldes umfassen. Der Sensormagnet ist mit dem Rotor des Elektromotors drehfest verbunden und weist daher die gleiche Drehzahl wie der Rotor auf. Das sich periodisch ändernde Magnetfeld des rotierenden Sensormagneten wird von dem Magnetfeldsensor erfasst, woraus der aktuelle Drehwinkel des Rotors ermittelt werden kann.In the use of electric motors for the drive of aggregates or ancillaries in motor vehicles usually the information about the current rotational position of the rotor in the engine plays an important role, for example in drive motors of wipers in motor vehicles, in actuators for transmission or hydraulic systems or in electrical actuatable steering drives. To determine the rotational position devices for detecting a rotating magnetic field are often used, which include a sensor or encoder magnet and a magnetic field sensor for detecting the magnetic field generated by the sensor magnet. The sensor magnet is rotatably connected to the rotor of the electric motor and therefore has the same speed as the rotor. The periodically changing magnetic field of the rotating sensor magnet is detected by the magnetic field sensor, from which the current rotational angle of the rotor can be determined.
Für absolut messende Systeme, beispielsweise für AMR- und GMR- Sensoren, werden als Sensormagnete üblicherweise zweipolig magnetisierte Platten oder Scheiben eingesetzt, wobei der Sensor mit Abstand zur Magnetoberfläche angeordnet ist und das rotierende Magnetfeld erfasst. Die Relativposition des Sensors bezogen auf den Sensormagneten hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Stärke des ermittelten Signales, da die Amplitude des Signales mit zunehmendem Abstand zur Magnetoberfläche stark abfällt. Die Position des Sensors bezogen auf den Sensormagneten hat einen hohen Einfluss auf die Güte des Messergebnisses, so dass sich Fertigungs- und Bauteiltoleranzen insbesondere bei geringem Abstand zum Magneten verhältnismäßig stark auswirken. Eine Vergrößerung des Abstandes zur Magnetoberfläche verringet zwar die Abhängigkeit von Toleranzen, allerdings nimmt zugleich die magnetische Flussdichte ab, so dass empfindlichere Sensoren eingesetzt werden müssen.For absolute measuring systems, for example for AMR and GMR sensors, two-pole magnetized plates or disks are usually used as sensor magnets, wherein the sensor is arranged at a distance from the magnet surface and detects the rotating magnetic field. The relative position of the sensor Based on the sensor magnet has a significant influence on the strength of the detected signal, since the amplitude of the signal drops sharply with increasing distance to the magnetic surface. The position of the sensor relative to the sensor magnet has a high influence on the quality of the measurement result, so that manufacturing and component tolerances have a relatively strong effect, in particular with a small distance to the magnet. Although increasing the distance to the magnet surface reduces the dependence on tolerances, at the same time the magnetic flux density decreases, so that more sensitive sensors must be used.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Einrichtung zur Erfassung eines rotierenden Magnetfeldes, die einen Sensormagneten und einen zugeordneten Sensor umfasst, so auszubilden, dass die Sensorsignale weniger stark von der Lage des Sensors bezogen auf den Magneten abhängen, d.h. dass sich einerseits dieThe invention is based on the object, with simple design measures, a device for detecting a rotating magnetic field comprising a sensor magnet and an associated sensor, form so that the sensor signals are less dependent on the position of the sensor relative to the magnet, i. that on the one hand the
Winkelfehler des Ausgangssignals verringern und dass sich andererseits der axiale Einsatzbereich des Sensorsystems vergrößert .Reduce angular errors of the output signal and that on the other hand increases the axial operating range of the sensor system.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.This object is achieved with the features of claim 1. The dependent claims indicate expedient developments.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erfassung eines rotierenden Magnetfeldes wird vorzugsweise in Elektromotoren, insbesondere als Stellmotor eines Aggregats bzw. Nebenaggregats in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, beispielsweise als Wischermotor in Wischereinrichtungen, als Fensterhebermotor oder ggf. auch als Stellmotor für Getriebe- oder Hydrauliksysteme, in einem Lenk- oder Bremssystem. Die Einrichtung umfasst einen Geber- bzw.The inventive device for detecting a rotating magnetic field is preferably used in electric motors, in particular as a servomotor of an aggregate or accessory in a motor vehicle, for example as a wiper motor in wiper devices, as a window motor or possibly also as a servo motor for transmission or hydraulic systems, in a steering or brake system. The device comprises a donor or
Sensormagneten und einen zugeordneten Magnetfeldsensor, wobei der Sensormagnet in der Anwendung bei einem elektrischen Verstellmotor drehfest mit dem Rotor verbunden wird und damit die gleiche Drehzahl wie der Rotor aufweist. Das bei der Rotation des Sensormagneten erzeugte Magnetfeld wird von dem Magnetfeldsensor erfasst und kann zur Berechnung der Drehwinkellage bzw. einer Änderung der Drehwinkellage herangezogen werden.Sensor magnet and an associated magnetic field sensor, wherein the sensor magnet in the application to an electrical Adjusting motor rotatably connected to the rotor and thus has the same speed as the rotor. The magnetic field generated during the rotation of the sensor magnet is detected by the magnetic field sensor and can be used to calculate the rotational angle position or a change in the rotational angular position.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Sensormagnet zumindest annähernd ringförmig ausgebildet und schließt eine innere Ausnehmung zumindest teilweise ein, in der dieIn the device according to the invention, the sensor magnet is at least approximately annular and includes an inner recess at least partially, in which the
Magnetfeldlinien zwischen den Polen des Magneten verlaufen; die innere Ausnehmung bildet einen von dem umgebenden Ring des Sensormagneten umschlossenen Magnetfeldlinienraum. Der Magnetfeldsensor ist innerhalb einer von der inneren Ausnehmung begrenzten Einhüllenden, jedoch mit axialem Abstand zur inneren Ausnehmung angeordnet. Dies bedeutet, dass der Sensor zwar mit axialem Abstand zum Magneten, jedoch unmittelbar oberhalb der inneren Ausnehmung im Magneten angeordnet ist, wobei die Einhüllende mit der Innenwand des ringförmigen Sensormagneten zusammenfällt, die die innere Ausnehmung bzw. Magnetfeldraum begrenzt, jedoch axial die Innenwand überragt.Magnetic field lines run between the poles of the magnet; the inner recess forms a magnetic field line space enclosed by the surrounding ring of the sensor magnet. The magnetic field sensor is arranged within an envelope bounded by the inner recess, but at an axial distance from the inner recess. This means that although the sensor is arranged at an axial distance from the magnet, but directly above the inner recess in the magnet, the envelope coincides with the inner wall of the annular sensor magnet, which delimits the inner recess or magnetic field space, but axially projects beyond the inner wall.
Die Magnetfeldlinien verlaufen innerhalb der inneren Ausnehmung zumindest annähernd parallel zur Mittelebene des ringförmigen Sensormagneten. Mit axialem Abstand zur Stirnseite desThe magnetic field lines extend within the inner recess at least approximately parallel to the center plane of the annular sensor magnet. With axial distance to the front of the
Sensormagneten nehmen die Feldlinien des Magnetfeldes einen gekrümmten Verlauf ein, wobei sich bei der erfindungsgemäßen Einrichtung gezeigt hat, dass auch mit axialem Abstand zur Oberseite des Magneten ein konstanter Flussdichteverlauf erreicht werden kann. Auf Grund der Positionierung des Sensors innerhalb des von der Einhüllenden begrenzten Raumes wird eine Verringerung der Abhängigkeit der Sensorsignale von dem Achsabstand erreicht, so dass zum einen Bauteil- und Montagetoleranzen weniger stark auf das Sensorergebnis durchschlagen und zum andern die Sensoren auch in einem wesentlich größerem Achsabstandsbereich zum Magneten eingesetzt werden können. Dementsprechend können auch kostengünstigere - A -Sensor magnets take the field lines of the magnetic field a curved course, which has been shown in the device according to the invention that even at an axial distance from the top of the magnet, a constant flux density can be achieved. Due to the positioning of the sensor within the limited space of the envelope, a reduction of the dependence of the sensor signals is achieved by the center distance, so that on the one hand component and assembly tolerances impact less on the sensor result and on the other hand, the sensors in a much larger Achsabstandsbereich can be used to the magnet. Accordingly, also cheaper - A -
Magnetmaterialien verwendet und/oder kleiner dimensionierte Sensormagnete eingesetzt werden.Magnetic materials used and / or smaller sized sensor magnets are used.
Als Magnetfeldsensor wird vorzugsweise ein GMR-Sensor (Giant Magneto Resistance) eingesetzt. Hierbei kann eine deutliche Reduzierung der Baulänge erreicht werden. Grundsätzlich kommt aber auch eine Anwendung sonstiger Magnetfeldsensoren in Betracht, beispielsweise AMR-Sensoren (anisotroper magnetoresistiver Effekt) .As a magnetic field sensor, a GMR sensor (Giant Magneto Resistance) is preferably used. Here, a significant reduction in length can be achieved. In principle, however, is also an application of other magnetic field sensors into consideration, such as AMR sensors (anisotropic magnetoresistive effect).
Um den gewünschten Effekt eines möglichst konstanten Flussdichteverlaufes über einen großen axialen Abstandsbereich zwischen Sensor und Sensormagnet zu erreichen, können zusätzlich zu der die Grundvoraussetzung der inneren, zentrischen Ausnehmung im Magneten weitere Bedingungen erfüllt sein, insbesondere konstruktive Bedingungen, die zu einer Optimierung des gewünschten Effektes beitragen. Beispielsweise wird ein bestimmtes Verhältnis von Innendurchmesser zu Außendurchmesser des Sensormagneten vorgegeben, wobei das Verhältnis vorzugweise zwischen 0.1 und 0.5 liegt. Liegt das Verhältnis in der Nähe des Wertes 0.5, so bedeutet dies, dass der Magnet bezogen auf den Außendurchmesser eine verhältnismäßig große innere Ausnehmung aufweist, wodurch auch der Bereich, in welchem der Sensor axial oberhalb des Magneten positioniert werden kann, entsprechend vergrößert ist.In order to achieve the desired effect of a flow density as constant as possible over a large axial distance between the sensor and sensor magnet, in addition to the basic requirement of the inner, central recess in the magnet further conditions may be met, in particular constructive conditions that contribute to an optimization of the desired effect , For example, a certain ratio of inner diameter to outer diameter of the sensor magnet is predetermined, wherein the ratio is preferably between 0.1 and 0.5. If the ratio is close to the value 0.5, this means that the magnet has a relatively large inner recess in relation to the outer diameter, as a result of which the region in which the sensor can be positioned axially above the magnet is correspondingly increased.
Des Weiteren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Sensormagneten mit einer axialen Gesamthöhe bzw. -dicke von 1 mm bis etwa 8 mm auszustatten. Der Außendurchmesser des Sensormagneten beträgt vorzugsweise 5 mm bis 50 mm.Furthermore, it has proven expedient to equip the sensor magnet with an overall axial height or thickness of 1 mm to about 8 mm. The outer diameter of the sensor magnet is preferably 5 mm to 50 mm.
Des Weiteren ist es zweckmäßig, dass die radiale Außenkontur und die radiale Innenkontur des Sensormagneten zumindest annähernd konzentrisch zueinander verlaufen. Im Falle einer kreisförmigen Außenkontur ist somit auch die Innenkontur kreisförmig, dementsprechend weist die den innen liegenden Magnetfeldlinienraum begrenzende Einhüllende Zylinderform auf. Anstelle kreisförmiger Konturen kommen auch nicht-kreisförmige, konzentrische Außen- und Innenkonturen in Betracht, beispielsweise eckige Konturen wie zum Beispiel quadratische oder rechteckige. Grundsätzlich sind auch nicht-konzentrische Ausführungen möglich.Furthermore, it is expedient that the radial outer contour and the radial inner contour of the sensor magnet extend at least approximately concentrically with one another. In the case of a circular outer contour thus also the inner contour is circular, accordingly, the enclosing the magnetic field line inner space limiting cylinder shape. Instead of circular contours are also non-circular, concentric outer and inner contours into consideration, for example, angular contours such as square or rectangular. In principle, non-concentric designs are possible.
Als weitere Optimierungsmaßnahme kann der Übergang von der Außenkontur zu einer axialen Stirnseite des Sensormagneten, insbesondere derjenigen Seite, an der der Sensor angeordnet ist, symmetrisch gestaltet sein zum Übergang von der Innenkontur zu der gleichen axialen Stirnseite. Des Weiteren ist es möglich, an der Innenkontur und/oder der Außenkontur einen Fase vorzusehen, wobei es möglich ist, sowohl unterschiedliche Fasenwinkel als auch gleiche Fasenwinkel vorzusehen, beispielsweise einen Fasenwinkel von 45°. Darüber hinaus kann auch eine abgerundete Fase vorgesehen sein, insbesondere mit konstantem Radius. Die axiale Höhe der Fase beträgt, bezogen auf die Gesamthöhe des Sensormagneten, zwischen 10 % und 90 %, beispielsweise 50 % oder 60 %. Bei symmetrischer Ausführung ist die radial innen liegende Fase gleich gestaltet wie die radial außen liegende Fase.As a further optimization measure, the transition from the outer contour to an axial end face of the sensor magnet, in particular that side on which the sensor is arranged, be designed symmetrically to the transition from the inner contour to the same axial end face. Furthermore, it is possible to provide a chamfer on the inner contour and / or the outer contour, it being possible to provide both different chamfer angles and the same chamfer angle, for example a chamfer angle of 45 °. In addition, a rounded bevel can also be provided, in particular with a constant radius. The axial height of the chamfer is, based on the total height of the sensor magnet, between 10% and 90%, for example 50% or 60%. In symmetrical design, the radially inner chamfer is the same design as the radially outer chamfer.
Grundsätzlich kommt als Alternative zu einer symmetrischen Ausführung auch eine nicht-symmetrische Ausführung bei der Ausbildung von radialer Außenkontur und radialer Innenkontur auf der dem Sensor zugewandten Seite in Betracht. Beispielsweise kann die betreffende axiale Stirnseite des Sensormagneten in Richtung auf die Innenkontur geradlinig abfallen, ggf. in Kombination mit einer geraden oder abgerundeten Fase im unmittelbaren Übergang zur Innenkontur.Basically comes as an alternative to a symmetrical design, a non-symmetrical design in the formation of radial outer contour and radial inner contour on the side facing the sensor into consideration. For example, the respective axial end side of the sensor magnet in the direction of the inner contour fall straight away, possibly in combination with a straight or rounded bevel in the immediate transition to the inner contour.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor entlang der Längsachse des Sensormagneten angeordnet ist. Entlang der Achse verlaufen die Magnetfeldlinien des Sensormagneten zumindest annähernd senkrecht zur Achse, wohingegen mit seitlichem Abstand zur Achse die Magnetfeldlinien unter einem Winkel zu der Achse gerichtet sind. Der entlang der Achse gleich bleibende Winkel von etwa 90° ermöglicht es, den Sensor an unterschiedlichen Achspositionen entlang der Achse zu positionieren, ohne dass dies mit einer sich erheblich ändernden Flussdichte einhergeht. Das Design des Sensormagneten mit innerer Ausnehmung hat den Vorteil, dass bei einer Abweichung der Sensormagnet- oder Sensorposition von der Längsachse das generierte Messsignal aufgrund des homogeneren Magnetfelds im Vergleich zu Ausführungen aus dem Stand der Technik eine geringere Winkelabweichung aufweist.According to a further preferred embodiment, it is provided that the magnetic field sensor is arranged along the longitudinal axis of the sensor magnet. Along the axis, the magnetic field lines of the sensor magnet extend at least approximately perpendicular to the axis, whereas with lateral distance from the axis, the magnetic field lines are directed at an angle to the axis. The constant angle of about 90 ° along the axis allows the Position the sensor at different axis positions along the axis, without this being accompanied by a significantly changing flux density. The design of the sensor magnet with inner recess has the advantage that in the case of a deviation of the sensor magnet or sensor position from the longitudinal axis, the generated measurement signal has a smaller angular deviation due to the more homogeneous magnetic field compared to prior art embodiments.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:Further advantages and expedient embodiments can be taken from the further claims, the description of the figures and the drawings. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Einrichtung zur Erfassung eines rotierenden Magnetfeldes, mit einem ringförmigen Sensormagneten, der eine zentrische Ausnehmung aufweist, und einem Magnetfeldsensor, der mit axialem Abstand entlang der Längsachse des Sensormagneten angeordnet ist,1 is a perspective view of a device for detecting a rotating magnetic field, with an annular sensor magnet having a central recess, and a magnetic field sensor, which is arranged at an axial distance along the longitudinal axis of the sensor magnet,
Fig. 2 einen Schnitt durch den ringförmigen Sensormagneten,2 shows a section through the annular sensor magnet,
Fig. 3 bis 10 verschiedene Ausführungsvarianten für die konstruktive Ausgestaltung des Sensormagneten.Fig. 3 to 10 different embodiments for the structural design of the sensor magnet.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen .In the figures, the same components are provided with the same reference numerals.
In Fig. 1 ist eine Einrichtung 1 zur Erfassung eines rotierenden Magnetfeldes dargestellt, bestehend aus einem ringförmigenIn Fig. 1, a device 1 for detecting a rotating magnetic field is shown, consisting of an annular
Sensormagneten 2 und einem Magnetfeldsensor 3, der im Magnetfeld des Magneten 2 angeordnet und in der Lage ist, die Magnetfeldrichtung zu sensieren. Das Magnetfeld 5, das vom Sensor- bzw. Gebermagneten 2 ausgeht, erstreckt sich in einem Magnetfeldlinien- bzw. Innenraum, welcher als innere Ausnehmung 6 des ringförmigen Sensormagneten 2 ausgeführt ist, etwa parallel zur Mittelebene des Sensormagneten 2. Mit axialem Abstand zur Stirnseite des Sensormagneten 2 treten die Magnetfeldlinien aus dem Sensormagneten heraus und beschreiben ausgehend von einem Pol des zweipoligen, mit Nordpol N und Südpol S bezeichneten Magneten, einen Bogen, bei dem die Magnetfeldlinien beim zweiten Pol wieder in das Material des Sensormagneten eintreten.Sensor magnet 2 and a magnetic field sensor 3, which is arranged in the magnetic field of the magnet 2 and is able to sense the magnetic field direction. The magnetic field 5, which emanates from the sensor or encoder magnet 2, extends in a magnetic field line or interior, which is designed as an inner recess 6 of the annular sensor magnet 2, approximately parallel to the median plane of the sensor magnet 2. With axial Distance from the end face of the sensor magnet 2, the magnetic field lines emerge from the sensor magnet and describe, starting from a pole of the bipolar, with north pole N and south pole S designated magnet, an arc in which the magnetic field lines at the second pole again enter the material of the sensor magnet.
Mit axialem Abstand a befindet sich oberhalb des Sensormagneten 2 der Magnetfeldsensor 3, der insbesondere entlang der Längsachse 4 des Sensormagneten 2 angeordnet ist. Entlang der Längsachse verlaufen die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes 5 ebenfalls etwa parallel zur Ebene des Sensormagneten. Der Magnetfeldsensor 3 kann ggf. auch mit lateraler Abweichung gegenüber der Längsachse 4 angeordnet sein, er liegt aber bevorzugt innerhalb einer Einhüllenden, die durch die Innenseite bzw. -kontur 8 der inneren Ausnehmung 6 innerhalb des Sensormagneten 2 geführt ist und sich in Achsrichtung parallel zur Längsachse 4 erstreckt.At an axial distance a is located above the sensor magnet 2 of the magnetic field sensor 3, which is arranged in particular along the longitudinal axis 4 of the sensor magnet 2. Along the longitudinal axis, the magnetic field lines of the magnetic field 5 also extend approximately parallel to the plane of the sensor magnet. The magnetic field sensor 3 may optionally also be arranged with lateral deviation with respect to the longitudinal axis 4, but it is preferably located within an envelope which is guided through the inner side or contour 8 of the inner recess 6 within the sensor magnet 2 and extends parallel to the axis in the axial direction Longitudinal axis 4 extends.
Bei dem Magnetfeldsensor 3 handelt es sich insbesondere um einen GMR-Sensor. Es kommen darüber hinaus aber auch andere Sensortypen in Betracht, insbesondere AMR-Sensoren, TMR- Sensoren, Hall-Sensoren, P-Hall-Sensoren oder anderweitige Sensortypen .The magnetic field sensor 3 is in particular a GMR sensor. However, other sensor types are also considered, in particular AMR sensors, TMR sensors, Hall sensors, P-Hall sensors or other sensor types.
Für das Material des Sensormagneten 2 können kunststoffgebundene Magnetmaterialien eingesetzt werden, die beispielsweise Ferrit, SmCo oder NdFeB enthalten. Grundsätzlich kommt aber auch gesinterte Materialien aus Ferrit, SmCo oder NdFeB in Betracht.For the material of the sensor magnet 2 can be used plastic-bonded magnetic materials containing, for example, ferrite, SmCo or NdFeB. Basically, however, sintered materials made of ferrite, SmCo or NdFeB come into consideration.
Die Einrichtung 1 wird bevorzugt zur Lagedetektierung des Rotors eines Elektromotors eingesetzt. Hierzu wird der Sensormagnet 2 drehfest mit dem Rotor des Elektromotors verbunden, wohingegen der Magnetfeldsensor 3 gehäusefest angeordnet ist. Möglich ist aber auch eine umgekehrte Anordnung, bei der derThe device 1 is preferably used for position detection of the rotor of an electric motor. For this purpose, the sensor magnet 2 is rotatably connected to the rotor of the electric motor, whereas the magnetic field sensor 3 is arranged fixed to the housing. But it is also possible a reverse arrangement in which the
Magnetfeldsensor fest mit dem Rotor und der Sensor- bzw. Gebermagnet gehäusefest angeordnet ist. In Fig. 2 ist der Sensormagnet 2 im Schnitt dargestellt. Die Gesamthöhe bzw. -Dicke ist mit h bezeichnet, der Innendurchmesser der inneren Ausnehmung 6 mit d, der Außendurchmesser an der Außenkontur 7 mit D. Auf der dem Sensor zugewandten Seite besitzt der Sensormagnet 2 im Bereich der Außenkontur 7 und im Bereich der Innenkontur 8 jeweils eine Fase 9 bzw. 10, die gegenüber der Längsachse 4 bzw. einer Parallelen zur Längsache einen Winkel α bzw. ß einnimmt. Im Ausführungsbeispiel sind die Winkel α und ß gleich groß, sie betragen etwa 45°. Grundsätzlich kommen aber auch unterschiedlich große Winkel α und ß für die Fase 9 bzw. 10 an der Außenkontur 7 bzw. der Innenkontur 8 in Betracht.Magnetic field sensor fixed to the rotor and the sensor or encoder magnet is fixed to the housing. In Fig. 2, the sensor magnet 2 is shown in section. The overall height or thickness is denoted by h, the inner diameter of the inner recess 6 by d, the outer diameter of the outer contour 7 with D. On the sensor side facing the sensor magnet 2 in the region of the outer contour 7 and in the region of the inner contour. 8 in each case a chamfer 9 or 10, which assumes an angle α or β relative to the longitudinal axis 4 or a parallel to the longitudinal axis. In the embodiment, the angles α and ß are equal, they are about 45 °. In principle, however, different angles α and β for the chamfer 9 or 10 on the outer contour 7 or the inner contour 8 come into consideration.
Die axiale Höhe der Fasen 9 und 10 ist mit c bezeichnet. Die axiale Höhe c der Fasen 9 und 10 liegt zwischen 10 % und 90 % der axialen Gesamthöhe h des Sensormagneten. Im Ausführungsbeispiel liegt c bei etwa 60 % von h.The axial height of the chamfers 9 and 10 is denoted by c. The axial height c of the chamfers 9 and 10 is between 10% and 90% of the total axial height h of the sensor magnet. In the exemplary embodiment, c is about 60% of h.
Das Verhältnis d zu D von Innendurchmesser d zu Außendurchmesser D liegt vorzugsweise zwischen 0.1 und 0.7. In absoluten Zahlen beträgt der Außendurchmesser D vorteilhafterweise 5 mm bis 50 mm, die axiale Gesamthöhe h liegt bei 1 mm bis 8 mm.The ratio d to D of inner diameter d to outer diameter D is preferably between 0.1 and 0.7. In absolute terms, the outer diameter D is advantageously 5 mm to 50 mm, the total axial height h is 1 mm to 8 mm.
In den Figuren 3 bis 10 sind verschiedene Ausführungsvarianten für den Sensormagneten 2 dargestellt.In the figures 3 to 10 different embodiments for the sensor magnet 2 are shown.
In Fig. 3 ist der Sensormagnet 2 als zylindrischer Ring mit durchgehend zylindrischer Außenkontur 7 und Innenkontur 8 im Bereich der inneren Ausnehmung 6 ausgeführt.In Fig. 3, the sensor magnet 2 is designed as a cylindrical ring with a continuous cylindrical outer contour 7 and inner contour 8 in the region of the inner recess 6.
Gemäß Fig. 4 ist die Außenkontur 7 zylindrisch ausgebildet, die Innenkontur 8 weist eine Fase 10 auf. Die Einhüllende durch die Innenkontur 8 kann entweder im Bereich des zylindrischen Abschnittes durch die Innenkontur 8 gelegt sein oder, gemäß alternativer Ausführung, durch den Übergang zwischen der Fase 10 und der Stirnfläche des Sensormagneten 2, die im montierten Zustand dem Magnetfeldsensor zugewandt ist; im letzteren Fall ist die Fase von der Einhüllenden eingeschlossen.According to Fig. 4, the outer contour 7 is cylindrical, the inner contour 8 has a chamfer 10. The envelope through the inner contour 8 can either be placed in the region of the cylindrical portion through the inner contour 8 or, according to an alternative embodiment, by the transition between the chamfer 10 and the end face of the sensor magnet 2, the mounted in the Condition facing the magnetic field sensor; in the latter case, the chamfer is enclosed by the envelope.
In Fig. 5 ist ausschließlich eine Fase 9 im Bereich der Außenkontur 7 vorgesehen, wohingegen die Innenkontur 8 zylindrisch und ohne Fase ausgeführt ist.In Fig. 5, only one chamfer 9 is provided in the region of the outer contour 7, whereas the inner contour 8 is cylindrical and without chamfer.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist sowohl eine Fase 9 im Bereich der Außenkontur 7 als auch eine Fase 10 im Bereich der Innenkontur 8 vorgesehen; dieses Ausführungsbeispiel entspricht demjenigen nach Fig. 2.In the embodiment according to FIG. 6, both a chamfer 9 in the region of the outer contour 7 and a chamfer 10 in the region of the inner contour 8 are provided; This embodiment corresponds to that of FIG. 2.
In Fig. 7 ist ebenfalls eine Fase an der Innenseite und der Außenseite vorgesehen, wobei der Übergang der Fase 10 im Bereich der Innenkontur zum zylindrischen Abschnitt der Innenkontur abgerundet ausgebildet ist.In Fig. 7, a chamfer is also provided on the inside and the outside, wherein the transition of the chamfer 10 is formed rounded in the region of the inner contour to the cylindrical portion of the inner contour.
Die Figuren 8 und 9 entsprechen im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7, jedoch mit zunehmender Abrundung im Übergang zwischen der zylindrischen Innenkontur zur Fase 10.Figures 8 and 9 substantially correspond to the embodiment of FIG. 7, but with increasing rounding in the transition between the cylindrical inner contour of the chamfer 10th
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 erstreckt sich die Fase 10 radial nach außen bis zum Erreichen der äußeren Fase 9, die der Außenkontur 7 zugeordnet ist. In the embodiment of FIG. 10, the chamfer 10 extends radially outward until reaching the outer chamfer 9, which is associated with the outer contour 7.

Claims

Ansprüche claims
1. Einrichtung zur Erfassung eines rotierenden Magnetfelds (5), mit einem Sensormagneten (2) und einem Magnetfeldsensor (3) zur Detektierung des vom Sensormagneten (2) erzeugten Magnetfelds (5) , wobei der Sensormagnet (2) und der Magnetfeldsensor (3) relativ zueinander eine Rotationsbewegung ausführen können, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensormagnet (2) eine innere Ausnehmung (6) aufweist, wobei der Magnetfeldsensor (3) innerhalb einer die innere Ausnehmung (6) begrenzenden Einhüllenden, jedoch mit axialem Abstand zum Sensormagneten (2) angeordnet ist.1. A device for detecting a rotating magnetic field (5), comprising a sensor magnet (2) and a magnetic field sensor (3) for detecting the magnetic field generated by the sensor magnet (2), wherein the sensor magnet (2) and the magnetic field sensor (3) relative to each other can perform a rotational movement, characterized in that the sensor magnet (2) has an inner recess (6), wherein the magnetic field sensor (3) within an inner recess (6) limiting envelope, but at an axial distance to the sensor magnet (2) is arranged.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensormagnet (2) zumindest annähernd ringförmig ausgebildet ist und eine innere Ausnehmung (6) zumindest teilweise einschließt2. Device according to claim 1, characterized in that the sensor magnet (2) is at least approximately annular and an inner recess (6) at least partially encloses
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Außenkontur (7) und die radiale Innenkontur (8) des Sensormagneten (2) zumindest annähernd konzentrisch verlaufen.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the radial outer contour (7) and the radial inner contour (8) of the sensor magnet (2) extend at least approximately concentric.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (d/D) von Innendurchmesser (d) zu Außendurchmesser (D) des Sensormagneten (2) zwischen 0.1 und 0.7 beträgt.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio (d / D) of inner diameter (d) to outer diameter (D) of the sensor magnet (2) is between 0.1 and 0.7.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (7) und/oder die Innenkontur (8) des Sensormagneten (2) mit einer Fase (9, 10) versehen ist, wobei die axiale Höhe (c) der Fase (9, 10) zwischen 10% und 90% der axialen Gesamthöhe (h) des Sensormagneten (2) beträgt. 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the outer contour (7) and / or the inner contour (8) of the sensor magnet (2) with a chamfer (9, 10) is provided, wherein the axial height (c ) of the chamfer (9, 10) is between 10% and 90% of the total axial height (h) of the sensor magnet (2).
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D) des Sensormagneten (2) 5 mm bis 50 mm beträgt.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the outer diameter (D) of the sensor magnet (2) is 5 mm to 50 mm.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Gesamthöhe (h) des Sensormagneten (2) 1 mm bis 8 mm beträgt.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the total axial height (h) of the sensor magnet (2) is 1 mm to 8 mm.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der radialen Außenkontur (7) zu einer axialen Stirnseite des Sensormagneten (2) symmetrisch gestaltet ist zum Übergang von der radialen Innenkontur (8) zu der axialen Stirnseite.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the transition from the radial outer contour (7) to an axial end face of the sensor magnet (2) is symmetrical to the transition from the radial inner contour (8) to the axial end face.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der Innenkontur (8) zu einer axialen Stirnseite des Sensormagneten (2) mit einem Radius versehen ist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the transition from the inner contour (8) to an axial end face of the sensor magnet (2) is provided with a radius.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Sensor (3) zugewanden und abgewandten Seiten des Sensormagneten (2) nicht parallel verlaufen, so dass sich über den Radius des Sensormagneten (2) eine variable Wandstärke ausbildet, die zur Längsachse hin abnimmt .10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the sensor (3) zugewanden and opposite sides of the sensor magnet (2) are not parallel, so that over the radius of the sensor magnet (2) forms a variable wall thickness, which decreases towards the longitudinal axis.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (3) ein GMR- Sensor ist.11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the magnetic field sensor (3) is a GMR sensor.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (3) zumindest annähernd entlang der Längsachse (4) des Sensormagneten (2) angeordnet ist. 12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the magnetic field sensor (3) is arranged at least approximately along the longitudinal axis (4) of the sensor magnet (2).
13. Elektromotor, insbesondere elektrischer Gleichstrommotor mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Sensormagnet (2) drehfest mit dem Rotor des Elektromotors verbunden ist. 13. Electric motor, in particular electric DC motor with a device according to one of claims 1 to 12, wherein the sensor magnet (2) is rotatably connected to the rotor of the electric motor.
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