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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Positon, insbesondere Drehstellung eines bewegbar gelagerten Teils.
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Es ist allgemein bekannt, dass das Magnetfeld von Dauermagneten mittels Hallsensoren detektierbar ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Bestimmung der Position weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anordnung zur Bestimmung der Drehstellung eines bewegbar gelagerten Teils nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anordnung zur Bestimmung der Drehstellung eines bewegbar gelagerten Teils, insbesondere einer Welle, insbesondere einer Rotorwelle eines Elektromotors, sind, dass die Anordnung
- – eine Dauermagnete aufweisende Dauermagnetanordnung
- – eine, insbesondere auf ihrer den Dauermagneten zugewandten Seite, mit Sensoren bestückte Leiterplatte,
- – Flussführungsteile, ein Sekundärrückschlussteil und Primärrückschlussteile,
- – ein mit dem bewegbar, insbesondere drehbar, gelagerten Teil drehfest verbundenes Verzahnungsteil, insbesondere Zahnstange oder Zahnring, welches ebenfalls magnetflussführende Eigenschaften aufweist,
aufweist,
wobei in Bewegungsrichtung jeweils zwischen zwei, insbesondere zueinander nächstbenachbarten, Flussführungsteilen ein jeweiliges Primärrückschlussteil angeordnet ist,
wobei zwischen dem jeweiligen Primärrückschlussteil und einem jeweils zu diesem nächstbenachbarten Flussführungsteil ein Dauermagnet oder zumindest ein Bereich eines Dauermagneten angeordnet ist,
insbesondere wobei zwischen jedem Primärrückschlussteil und dem jeweils zu diesem nächstbenachbarten Flussführungsteil ein Dauermagnet oder zumindest ein Bereich eines Dauermagneten angeordnet ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass abhängig von der Drehstellung der Rückschluss des vom jeweiligen Dauermagneten erzeugten Magnetflusses entweder über das Sekundärrückschlussteil oder über das jeweils zum Dauermagneten nächstbenachbarte Primärrückschlussteil sowie das Verzahnungsteil erfolgt. Entsprechend variiert die Stärke des im zum jeweiligen Dauermagneten nächstbenachbarten Flussführungsteils geführten Magnetflusses und das entsprechend zugeordnete Sensorsignal variiert entsprechend, also das Signal des diesem Flussführungsteil zugeordneten Sensors. Aus den Sensorsignalen ist somit die Drehstellung, also Winkelstellung des Verzahnungsteils, detektierbar.
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Somit bewirkt die Reluktanzänderung bei zu den Flussführungselementen relativer Bewegung der Verzahnung eine entsprechend Variation oder Veränderung der Stärke des Magnetflusses, welche mittels der Sensoren detektierbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Dauermagnete in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnet,
und/oder dass zwischen dem jeweiligen Sensor und der Dauermagnetanordnung ein jeweiliges Flussführungsteil angeordnet ist,
und/oder dass auf der von den Flussführungsteilen abgewandten Seite der Leiterplatte das Rückschlussteil angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist und eine eineindeutige Zuordnung der Sensorsignale zur Drehstellung des Verzahnungsteils.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Dauermagnete in Bewegungsrichtung zwischen dem zum jeweiligen Dauermagneten nächstbenachbarten Primärrückschlussteil und dem jeweiligen zum jeweiligen Dauermagneten nächstbenachbarten Flussführungsteil jeweils dieselbe Länge auf,
insbesondere wobei die Zahnbreite der Zähne der Verzahnung des Verzahnungsteils der Länge entspricht,
und/oder dass die Dauermagnete in Bewegungsrichtung regelmäßig voneinander beabstandet sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist und eine eineindeutige Zuordnung der Sensorsignale zur Drehstellung des Verzahnungsteils.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zähne am Verzahnungsteil in Bewegungsrichtung regelmäßig voneinander beabstandet, wobei eine Periodenlänge vorgesehen ist,
die Beabstandung dreier Flussführungsteile, insbesondere der der Dauermagnetanordnung zugewandten Endbereiche, insbesondere Stirnseiten, der Flussführungsteile in Bewegungsrichtung derart beabstandet voneinander sind, dass
der Abstand zwischen einem ersten Flussführungsteil und einem zweiten, also in Bewegungsrichtung nächstbenachbarten Flussführungsteil einem Viertel plus einem Ganzen der Periodenlänge oder einem Viertel plus einem ganzzahligen Vielfachen der Periodenlänge entspricht,
und dass der Abstand zwischen dem zweiten Flussführungsteil und einem dritten, also in Bewegungsrichtung zum zweiten Flussführungsteil wiederum nächstbenachbarten Flussführungsteil einem Viertel plus einem Ganzen der Periodenlänge oder einem Viertel plus einem ganzzahligen Vielfachen der Periodenlänge entspricht,
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Somit entspricht der Abstand zwischen dem ersten Flussführungsteil und dem dritten Flussführungsteil einem echt halbzahligen Vielfachen der Periodenlänge.
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Dem ersten Flussführungsteil ist ein erster Sensor zugeordnet, dessen Sensorsignal dem im ersten Flussführungsteil geführten Fluss entspricht.
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Dem zweiten Flussführungsteil ist ein zweiter Sensor zugeordnet, dessen Sensorsignal dem im ersten Flussführungsteil geführten Fluss entspricht.
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Dem ersten Flussführungsteil ist ein dritter Sensor zugeordnet, dessen Sensorsignal dem im dritten Flussführungsteil geführten Fluss entspricht.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Differenz der Sensorsignale des ersten und dritten Sensors eine Phasenverschiebung von 90° zueinander aufweisen. Insbesondere sind die Sensorsignale differentiell erfassbar, insbesondere jeweils als Differenz zum Sensorsignal des zweiten Sensors. Die differentiellen Signale sind einer Auswerteeinheit zuleitbar, welche die Differenz dieser beiden differentiellen Signale bestimmt und auswertet. Da die beiden differentiellen Signale die Phasenverschiebung von 90° zueinander aufweisen, ist eine einfache Sinus-/Cosinus-Auswertung ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Beabstandung dreier Flussführungsteile, insbesondere der der Dauermagnetanordnung zugewandten Endbereiche, insbesondere Stirnseiten, der Flussführungsteile in Bewegungsrichtung derart beabstandet voneinander, dass
- – bei gleichmäßiger Bewegung des bewegbaren Teils die Differenz der Sensorsignale des in Bewegungsrichtung ersten und zweiten Sensors einen Phasenverschiebung von 90° aufweist zur Differenz der Sensorsignale des in Bewegungsrichtung dritten und zweiten Sensors. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Sinus-/Cosinus-Auswertung ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Dauermagnete jeweils hülsenartig geformt und entweder alle eine nach radial außen oder alle eine nach radial innen zur Hülsenachse gerichtete Magnetisierung aufweisen. Von Vorteil ist dabei, dass die Hülsen einfach herstellbar sind und somit eine kostengünstige Herstellung ausführbar ist. Dabei werden die Hülsen auf die Flussführungsteile beziehungsweise Primärrückschlussteile aufgeschoben.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein jeweiliger Dauermagnet auf ein jeweiliges Flussführungsteil aufgesteckt angeordnet oder ein jeweiliger Dauermagnet ist auf ein jeweiliges Primärrückschlussteil aufgesteckt angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Flussführungsteile jeweils als Rundstab ausgeformt
und/oder
das jeweilige Primärrückschlussteil ist jeweils als Rundstab ausgeformt. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache und kostengünstige Herstellung aus ferromagnetischem Material, insbesondere Ferritmaterial, ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Bewegungsrichtung die Drehrichtung und/oder Umfangsrichtung, wobei die Magnetisierungsrichtung tangential zur Umfangsrichtung des Zahnrings oder radial zur Hülsenachsrichtung der als Hülsen ausgeführten Dauermagnete ausgeführt ist,
insbesondere wobei eine Normale der Leiterplattenebene die Drehachse des drehbaren Teils schneidet und/oder die Leiterplattenebene parallel zur Drehachse des drehbaren Teils ausgerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass wahlweise eine lineare oder eine rotatorische Ausführung realisierbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die auf der Leiterplatte bestückten Sensoren in einem Luftspalt zwischen Flussführungsteil und Rückschlussteil angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass die magnetische Flussdichte in einfacher Weise erfassbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jedes Flussführungsteil mit einer Wicklung umwickelt, die als Sensor fungiert,
wobei das Sekundärrückschlussteil die Flussführungsteile jeweils berührt. Von Vorteil ist dabei, dass kein Luftspalt zwischen Flussführungsteil und Sekundärrückschlussteil notwendig ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Primär- oder Sekundär-Rückschlussteil und Flussführungsteile aus Ferrit ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist. Unter dem Begriff Ferrit werden in der vorliegenden Schrift auch andere weichmagnetische Pulververbundwerkstoffe subsummiert, insbesondere die eine einem Ferritverbundwerkstoff entsprechend hohe magnetische Permeabilität aufweisen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Sensoren als Hallsensoren ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass einfach ausgeführt kostengünstige Sensoren verwendbar sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Drehstellung eines drehbar gelagerten Teils, insbesondere einer Welle, insbesondere einer Rotorwelle eines Elektromotors, schematisch in Schrägansicht dargestellt.
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In der 2 ist eine zugehörige Draufsicht gezeigt.
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In der 3 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel in Schrägansicht gezeigt, wobei im Unterschied zur 1 radial magnetisierte Dauermagnete auf die Flussführungsteile 4 aufgeschoben vorgesehen sind, also hülsenartig geformte, radial magnetisierte Dauermagnete.
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In der 4 ist eine zur 3 gehörige Draufsicht gezeigt.
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In der 5 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel in Schrägansicht gezeigt, wobei im Unterschied zur 1 radial magnetisierte Dauermagnete auf die Primärrückschlussteile 8 aufgeschoben vorgesehen sind, also hülsenartig geformte, radial magnetisierte Dauermagnete.
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In der 6 ist eine zur 5 gehörige Draufsicht gezeigt.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, weist die Anordnung ein drehbar gelagertes Teil auf, das mit einem Zahnring 1 drehfest verbunden ist. Zur Bestimmung der Winkelstellung des Zahnrings 1 ist dieser vorzugsweise mit rechteckförmigen Zähnen ausgeführt, deren Zahnbreite in Umfangsrichtung kleiner ist als die Lückenweite der Verzahnung des Zahnrings 1. Die Zähne sind in Umfangsrichtung vorzugsweise regelmäßig voneinander beabstandet.
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Im von der Verzahnung des Zahnrings 1 in axialer Richtung überdeckten axialen Bereich sind Flussführungsteile 4 angeordnet, deren jeweiliger erster Endbereich nur mittels eines Luftspaltes von der Verzahnung des Zahnrings 1 beabstandet ist.
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Zwischen einem jeweiligen nächstbenachbarten Paar von Flussführungsteilen 4 ist ein als jeweiliges Primärrückschlussteil 8 bezeichnetes Rückschlussteil angeordnet.
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Zwischen dem jeweiligen Primärrückschlussteil 8 und dem hierzu nächstbenachbarten Flussführungsteil ist jeweils ein Dauermagnet (2, 3) angeordnet, wobei der Nordpol des jeweiligen Dauermagneten mit Bezugszeichen 2 und der Südpol mit Bezugszeichen 3 bezeichnet ist.
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Der Dauermagnet (2, 3) ist jeweils quaderförmig ausgeführt.
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Das vom jeweiligen Dauermagnet (2, 3) erzeugte Magnetflusses wird über das Primärrückschlussteil 8 geleitet und von diesem zumindest teilweise über einen Zahn der Verzahnung des Zahnrings 1 und von diesem Zahn zu demjenigen Flussführungsteil 4, welches direkt benachbart zum Dauermagnet (2, 3) angeordnet ist, also zu demjenigen Flussführungsteil 4, welches auf der vom Primärrückschlussteil 8 abgewandten Seite des Dauermagneten (2, 3) angeordnet ist. Ein anderer Anteil des vom Dauermagneten (2, 3) erzeugten Magnetflusses wird das Flussführungsteil 4 und die den Dauermagneten (2, 3) umgebende Luft geführt und ein wiederum anderer Anteil über das Flussführungsteil 4 zum Sekundärrückschlussteil 5 und von diesem zu einem weiteren Flussführungsteil 4, wovon er zurück zum Dauermagneten (2, 3) gelangt. Zwischen jeweiligem Flussführungsteil 4 und Sekundärrückschlussteil 5 ist jeweils ein Luftspalt angeordnet, in welchem jeweils ein auf einer Leiterplatte 6 bestückter Sensor 7 angeordnet ist.
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Die Leiterplatte 6 weist im Ausführungsbeispiel drei Sensoren 7 auf, so dass der durch die Flussführungsteile 4 geführte Magnetfluss weit entfernt von den Dauermagneten (2, 3) bestimmbar ist.
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Der genannte über den Zahn der Verzahnung des Zahnrings 1 geführte Anteil des Magnetflusses ist von der Winkelstellung des Zahns, also des Zahnrings, abhängig. Denn wenn der Zahn den vom Dauermagneten überdeckten Umfangswinkelbereich überdeckt, ist nur ein geringer Luftspalt zwischen Zahn und Primärrückschlussteil 8 vorhanden. Außerdem ist ebenfalls nur ein geringer Luftspalt zwischen Zahn und Flussführungsteil 4 vorhanden. Wenn jedoch der Zahnring 1 sich in eine andere Drehstellung bewegt, wird zumindest einer der beiden Luftspalte größer und somit der magnetische Widerstand ebenfalls. Daher nimmt dann der Anteil des durch den Zahn geführten Magnetflusses ab und entsprechend vergrößert sich der durch das Sekundärrückschlussteil 5 geführte Anteil.
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Auf diese Weise ist somit die Drehung des Zahnrings 1 detektierbar. Denn bei der Drehung werden die beiden beschriebenen Drehstellungen abwechselnd wiederholt durchlaufen, so dass das Sensorsignal jeweils einen Wechselanteil aufweist, der von der Drehgeschwindigkeit des Zahnrings 1 abhängt. Zusätzlich ist auch ein Gleichanteil im Sensorsignal jeweils vorhanden.
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Die felderzeugenden Dauermagnete (2, 3) sind dabei näher zum Zahnring 1 angeordnet als zum Sekundärrückschlussteil 5.
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Wie in 1 und 2 ersichtlich, ist der jeweils gleichartige Pol, insbesondere also der magnetische Südpol 3, des zum Primärrückschlussteil 8 nächstbenachbarten Dauermagneten (2, 3) zum Primärrückschlussteil 8 hin orientiert. Somit ist am jeweils den Dauermagneten (2, 3) vorgesehenen Oberflächenbereich des Primärrückschlussteils 8 der entsprechende Gegenpol, insbesondere also Nordpol, ausgebildet. Zum Zahnring 1 hin ist somit wiederum der entgegengesetzte Pol, insbesondere also Südpol, ausgebildet.
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Auf diese Weise wird ein wesentlicher Anteil des magnetischen Flusses über den Zahn des Zahnrings 1 geleitet, solange der Zahn der Verzahnung des Zahnrings 1 dem Dauermagneten (2, 3) direkt gegenüber steht, also der von ihm überdeckte Umfangswinkelbereich mit dem von dem Dauermagneten (2, 3) überdeckten Umfangswinkelbereich zumindest teilweise überlappt. Je näher der Zahn desto mehr Anteil des magnetischen Flusses wird durch ihn geleitet, um den magnetischen Rückschluss auszubilden und den Fluss vom Zahn in das nächstbenachbarte Flussführungsteil 4 weiterzuleiten. Dabei ist dieses Flussführungsteil 4 direkt benachbart zum jeweiligen Dauermagneten (2, 3).
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Die Flussführungsteile 4, das Primärrückschlussteil 8 und das Sekundärrückschlussteil 5 sind vorzugsweise aus Ferrit hergestellt.
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Im Unterschied zur 1 und 2 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 und 6 der jeweilige Dauermagnet (2, 3) hülsenartig ausgeführt und auf das jeweilige Primärrückschlussteil 8 aufgeschoben. Die Dauermagnete (2, 3) sind jeweils radial magnetisiert, so dass an ihrem Innenfläche ein Pol, insbesondere ein Nordpol 2 ausgebildet ist und an ihrer radialen Außenfläche der Gegenpol, insbesondere also ein Südpol 3 ausgebildet ist. Somit sind die Dauermagnete (2, 3) einfach herstellbar. Die Primärrückschlussteile 8 und/oder die Flussführungsteile 4 sind als Rundstäbe ausführbar, so dass eine einfache kostengünstige Herstellung ausführbar ist. Das Sekundärrückschlussteil 5 ist vorzugsweise wiederum quaderförmig ausgeführt.
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Im Unterschied zur 1 und 2 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 und 3 der jeweilige Dauermagnet (2, 3) hülsenartig ausgeführt und auf das jeweilige Flussführungsteil 4 aufgeschoben. Hierbei sind die Flussführungsteile 4 wiederum vorzugsweise als Rundstäbe ausgeformt.
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Wie in den Figuren ersichtlich, entspricht der Abstand vom ersten zum dritten Flussführungsteil einem echt halbzahligen Vielfachen, insbesondere also keinem ganzzahligen Vielfachen, der Periodenlänge der Verzahnung. Das zweite Flussführungsteil ist vorzugsweise mittig in Bewegungsrichtung angeordnet. Somit ist der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Flussführungsteil ein Ganzes und ein Viertel der Periodenlänge oder in anderen Ausführungsbeispielen ein ganzzahliges Vielfaches und ein Viertel der Periodenlänge. Ebenso ist der Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Flussführungsteil ein Ganzes und ein Viertel der Periodenlänge oder in anderen Ausführungsbeispielen ein ganzzahliges Vielfaches und ein Viertel der Periodenlänge.
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Vorzugsweise ist die Verzahnung rechteckförmig oder mit derart steilen Flanken, dass bei gleichförmiger Drehung des Verzahnungsteils, also Zahnrings 1, der zeitliche Verlauf des über das Sekundärrückschlussteil geführte magnetischen Flusses möglichst steil ansteigt oder abfällt.
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Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist um das jeweilige Flussführungsteil 4 jeweils eine Spule angeordnet, die als Sensor verwendet ist, so dass die Leiterplatte mit aufgesteckt angeordneten Sensoren 7 entfällt und das jeweilige Flussführungsteil 4 mit dem Sekundärrückschlussteil 5 berührend anordenbar ist, insbesondere so dass also kein Luftspalt zwischen jeweiligem Flussführungsteil 4 und Sekundärrückschlussteil 5 vorhanden ist.
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Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist statt der rotatorischen eine lineare aber ansonsten in entsprechend analoger Weise arbeitende Anordnung ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnring
- 2
- Nordpol
- 3
- Südpol
- 4
- Flussführungsteil
- 5
- Sekundär-Rückschlussteil
- 6
- Leiterplatte
- 7
- Sensor
- 8
- Primärrückschlussteil
