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Wärmemengenzählvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Wärmemengenzählvorrichtung mit einem auf die Strömung des Wärmeträgers ansprechenden Flügelrad und einem von diesem über eine Magn tkupplung angetriebenen Rotor, der mit integrierenden Anzeigemitteln, beispielsweise einem Zählwerk, gekoppelt ist und zur Erzielung einer Bremswirkung in ein zähes Medium eintaucht. Ein spezielles Anwendungsgebiet der Erfindung stellt die Messung der entnommenen Wärme bei Zentralheizungen dar.
Zur Messung der Wärmeentnahme aus einem Heizungssystem kommen zwei Methoden in Frage : Einmal kann man den Gesamtverbrauch einer Anlage nach der kalorischen Grundgleichung bestimmen, indem man die jeweils fliessende Menge des Wärmeträgers (Warm-, Heisswasser usw. ) mit dem Temperaturabfall multipliziert und das Produkt fortlaufend summiert. Auch kann man statt dessen die zugeführten bzw. abgeführten Wärmemengen getrennt messen und die Differenz bilden, also zuströmende Wärmemen-
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Q = Wärmemenge (kcal/h)
M = Menge des Wärmeträgers (kg/h) c = spezifische Wärme des Wärmeträgers (kcal/ C. kg) Tl = Temperatur des zuströmenden Wärmeträgers (OC) Ta = Temperatur des zurückströmenden Wärmeträgers (OC).
Die Voraussetzung hiefür ist aber eine Rohrverlegung derart, dass alle Heizkörper der Anlage von einem einzigen gemeinsamen Zu- und Rücklauf aus versorgt werden. Dies trifft z. B. bei Stockwerksheizungen oder ganzen Gebäuden oder Gebäudekomplexen zu.
In vielen Fällen jedoch, insbesondere bei Schwerkraftheizungen, erfolgt die Versorgung der einzelnen Heizkörper eines Mieters mittels mehrerer vertikal hochgeführter Stränge, aus denen jeweils die Heiz körper verschiedener, übereinander wohnender Mieter gespeist werden. In diesem Falle muss daher die Wärmeabgabe jedes einzelnen Heizkörpers für sich gemessen werden. Der Einsatz eines nach der oben genannten kalorischen Grundgleichung arbeitendes Gerätes scheitert an der notwendigerweise erheblichen Baugrösse und an dem mit dem höheren Aufwand verbundenen grösseren Preis.
Die zweite Methode der Wärmemessung begründet sich auf der Strahlungsgleichung eines Heizkörpers. Sie lautet :
Q = k. F. (Tm -Tz) kcal/h.
DieseStrahlungsgleichung liefert also die Wärmeabgabe eines Heizkörpers, die von der mittleren Temperatur Tm des Wärmeträgers im Heizkörper abhängt, jedoch nicht von der Menge des strömenden Mediums. Die Oberfläche F und die spezielle Ausführung k des Heizkörpers werden durch die beiden genannten Konstanten berücksichtigt. Die k-Werte sind für die verschiedenen Heizkörpertypen tabellarisch festgelegt. Die Temperatur Tz der Umgebungsluft (z. B. Zimmertemperatur) kann ebenfalls als nahezu konstant angenommen werden, da z. B. jeder Mieter die Zimmertemperatur auf etwa 200 einregulieren
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wird, weil jede Abweichung hievon als lästig empfunden wird.
Ein nach derStrahlungsgleichung arbeitender Wärmezähler bringt den Vorteil einer Vereinfachung U ! Verbilligung gegenüber einem Gerät, das nach der ersten Methode arbeitet.
Gleichwohl sind beide Methoden gleichermassen exakt und physikalisch äquivalent. Je nach dem AI wendungsfall-ob man die transportierte oder die abgegebene Wärmemenge messen will-wird man d] erste oder die zweite Methode anwenden müssen. Gerade bei der praktischen Wärmemengenmessung trete alle Varianten auf, da die Leitungsführungen bei den älteren Anlagen vertikal sind, also aus demselb Vertikalstrang mehrere Haushaltungen versorgt werden, während bei neueren Anlagen, die meistens Ir Pumpen arbeiten, die horizontale Versorgung (also ähnlich wie bei der elektrischen Leitungsführung) vo gezogen wird. Bei vertikaler Verteilung muss die Messung an jedem einzelnen Heizkörper vorgenomml werden, was zweckmässigerweise, wie schon gesagt, nach der genannten Strahlungsgleichung geschieht.
Bei horizontaler Verteilung kann eine Gesamtmessung erfolgen. Man baut hiezu den Wärmemenge messer entweder in den Zulauf (bei auf konstante Temperatur geregeltem Rücklauf) oder in den Rückla bei auf konstante Temperatur geregeltem Zulauf) oder sowohl in den Zulauf als auch in den Rücklauf, wel beide Temperaturen beliebig schwanken können und ermittelt den Wärmeverbrauch aus derDifferenzd Ablesungen. Da die modernen Systeme meist mit geregeltem Zu- oder Rücklauf arbeiten, kommt m daher jedoch meistens mit einem Gerät aus. Aber selbst wenn man zwei Geräte anwenden muss, ist d Aufwand immer noch wesentlich geringer als bei den üblichen Messverfahren, bei denen die Wärmemel genmessung über komplizierte elektrische oder mechanische Einrichtungen vorgenommen wird.
Selbstve ständlichkönnte man auch bei dem Gegenstand der Erfindung eine solche Differenzbildung durch konstru] tive Vereinigung unmittelbar in einem Gerät vornehmen.
Zur Lösung dieser Probleme sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden. Nach einem erste
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weise eines Bimetallstreifens, selbsttätig veranlasst wird.
Weiter ist ein Wärmemengenmesser bekannt, bei dem die Bildung des Produktes aus Menge und Ten peraturdifferenz durch eine magnetelektrische Vorrichtung geschieht, wobei die Menge des strömende Mediums, die zur induktiven Wirkung erforderliche, dem Durchsatz proportionale Bewegung dadurch ei zeugt, dass der Kraftlinienpfad der magnetischen elektrischen Vorrichtung ganz oder teilweise aus eine magnetischen Material mit temperaturabhängiger Permeabilität besteht.
Ferner ist ein Wärmemengenzähler vorgeschlagen worden, der in der Weise arbeitet, aass ein vc einern Temperaturmessglied hervorgerufener Strom zur Erzeugung eines mit der Temperatur sich ändernde Magnetfeldes dient, dessen Kraftlinien durch eine zwischen den Magneten und einem magnetischen Rüc ! schluss angeordnetenZählerscheibe treten und die Zählerscheibe mit einem Mengenzähler mit zum Durct satz proportionaler Drehgeschwindigkeit gekoppelt ist.
Schliesslich ist noch ein Wärmezähler für Zentralheizungsanlagen bekannt, der sich im wesentliche aus zwei Gasthermometern zusammensetzt, deren Gasvolumina in Form von Fühlern am kalten und wal men Ende mit dem Heizungssystem in Wärmekontakt stehen. Beide Gasvolumina münden in je einen zuge hörigen Schenkel eines im unteren Teil mit Flüssigkeit gefüllten U-Rohres. Der eine Schenkel dies U-Rohres besitzt einen vergrösserten Durchmesser und umschliesst einen feststehenden Metallzylinder sowi einen koaxial zu diesem angeordneten rotierenden Zylinder von kleinerem Durchmesser. Der Antrieb dies rotierenden Zylinders erfolgt über eine Magnetkupplung. Der rotierende Zylinder wird dadurch in Abhän gigkeit von der Temperatur gebremst, da die in dem betreffenden Schenkel des U-Rohres befindliche Flüs sigkeit mit ihrem Spiegel mehr oder weniger angehoben wird.
Durch ein Heben des Flüssigkeitsspiegels ver grössert sich die Oberfläche zwischen dem feststehenden und rotierenden Zylinder, welche von der Brems flüssigkeit beeinflusst ist. Die Verschiebung der Flüssigkeitssäule erfolgt durch den Differenzdruck des Ga ses beider Wärmefühler.
Alle diese Vorrichtungen sind aber mechanisch und elektrisch recht kompliziert in ihrem Aufbau uni gewährleisten nicht immer die erforderliche Betriebssicherheit und Messgenauigkeit bei den so verschieden artigen Bedingungen der Praxis, da die hier wirksamen Effekte relativ schwach sind.
Durch die Erfindung werden diese Nachteile auf äusserst einfache Weise behoben, wobei zugleich ein wesentlich höhere Messgenauigkeit bei geringen Herstellungskosten erzielt wird. Erfindungsgemäss wird die bei einer Wärmemengenzählvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass das zähe Medium den Rotor völlig umgibt und mit dem Wärmeträger in gutem Wärmeaustausch steht, wobei eine Tempera turänderung des Wärmeträgers eine entsprechende Viskositätsänderung des zähen Mediums und damit ein Änderung der Drehzahl des Rotors bedingt.
Die bei den bekannten Vorrichtungen bisher als hinderlich be
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trachtete Temperaturabhängigkeit der Viskosität der Messflüssigkeit wird somit nach der Erfindung dazu benützt, um dem Rotor eine der Temperatur proportionale Drehgeschwindigkeit zu erteilen, in dem das magnetisch im Rotor erzeugte strömungsproportionale Drehmoment mit dem ebenfalls am Rotor entstehenden drehzahl-und zähigkeitsabhängigen Bremsmoment ins Gleichgewicht gesetzt wird. Durch den einfachen Aufbau des Gerätes wird bei präzisen Messergebnissen auch eine hohe Betriebssicherheit erreicht.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung des Erfindungsgegenstandes in Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Figuren.
Es zeigt : Fig. l den schematischen Aufbau einer Wärmemengenzählvorrichtung gemäss der Erfindung im Schnitt, Fig. 2 einen Schnitt der Fig. l längs der Linie A - A, Fig. 3 eine Draufsicht des Wärmezählers gemäss der Erfindung, Fig. 4 und 5 verschiedene Ausführungen des Rotors gemäss der Erfindung.
Ein vom strömenden Medium angetriebenes Flügelrad 1 trägt einen Magneten 2, dessen Kraftfeld zu dem im oberen Teil befindlichen Rotor 4 geht, der in einer zähen Flüssigkeit 3 drehbar angebracht ist. Dieser Rotor wird nun bei Rotation des Flügelrades durch die kuppelnde Kraft des zwei-oder mehrpolig magnetisierten Magneten 2 mitgenommen, da in dem Rotor ein Mitnahmedrehmoment entsteht. Eine Vertauschung von Magnet und Rotor wäre grundsätzlich möglich, ohne dass sich die Wirkung ändern würde.
Die Umdrehungen des Rotors werden über eine Untersetzung 5 an einer integrierenden Anzeigevorrichtung, die hier als Zählwerk 6 veranschaulicht ist, gezählt und liefern bei entsprechender Eichung unmittelbar die entnommene Wärmemenge, wie nachfolgend gezeigt wird.
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gebracht ist. Bei der Strömung des Wärmeträgers dreht sich das Flügelrad 1 und setzt damit auch den Permanentmagneten 2 in Drehung, der mit dem Flügelrad fest verbunden ist. Dieser zwei-oder mehrpolig magnetisierte Permanentmagnet erzeugt bei Rotation erfindungsgemäss nach der einen Ausführung des Gerätes ein konstantes Mitnahmemoment an dem im oberen Teil des Gerätes in einem zähen Öl sitzenden Rotor, u. zw. unabhängig von der Umlaufgeschwindigkeit des Flügelrades.
Dieses lässt sich praktisch unter Ausnutzung des Hystereseeffektes dadurch realisieren, dass man den Rotor als zylindrischen oder topfförmigen Körper aus Eisen ausbildet oder ihm zur Vergrösserung des Mitnahmemomentes die Form eines Ankers aus Eisen mit unsymmetrischen Polen gibt, z. B. bei 4-poliger Magnetisierung des Magneten mit vier Polen (vgl. Fig. 4 und 5). Der mit dem Flügelrad umlaufende Permanentmagnet übt jedesmal, wenn seine Pole an denen des Rotors vorbeistreichen, ein Mitnahmemoment aus.
Bei rascherem Umlauf des Magneten ist zwar die jeweilige Dauer der Wirkung kürzer als bei langsamem Umlauf, jedoch ist die Häufigkeit der Vorbeiläufe im gleichen Masse grösser, so dass der zeitliche Mittelwert des Mitnahmemomentes konstant und unabhängig von der Umdrehungsgeschwindigkeit ist. Entsprechend der Polzahl des Magneten ändert sich das Drehmoment während eines Umlaufes mehrere Male von einem Minimal- zu einem Maximalwert. Es ist zweckmässig, die Amplitude dieser periodischen Schwankung klein zu halten, um ein"Zittern"des Rotors zu vermeiden. In einfacher Weise geschieht dies z. B. dadurch, dass man die Zahl der Pole des Rotors nicht, wie in Fig. 4 und 5 ausgeführt, gleich der Polzahl des Magneten wählt, sondern kleiner oder grösser, z.
B. bei einem 4-poligen Magneten 3-, oder 5-oder noch höher-polig.
Die Anfangseinstellung des Gerätes nimmt man zweckmässigerweise in einem magnetischen Wechselfeld vor, indem man den zunächst voll magnetisierten Permanentmagneten auf die erforderliche Magnetstärke schwächt. Ein solcher im Wechselfeld geschwächter und stabiliserter Magnet bringt ausserdem den Vorteil, dass seine Stärke dauernd unverändert bleibt.
Es ist fernerhin ratsam, das ganze Gerät mit einem dünnen Abschirmblech hoher Permeabilität zu umgeben bzw. das Gehäuse aus einem solchen Material zu fertigen, um eine beabsichtigte Beeinflussung der Anzeige durch Fremdfelder zu verhindern.
An Stelle dieser Drehmomentenerzeugung, die nach dem Prinzip der Hysterese-Mitnahme mit einem Rotor aus ferromagnetischem Material und/oder mit unsymmetrischen Polen arbeitet, bei der das entstehende Mitnahmemoment unabhängig von der Flügelraddrehzahl konstant ist, erzeugt man nach einer an- dem Ausführung des Gerätes ein drehzahlabhängiges Mitnahmemoment nach dem Wirbelstromprinzip. Wählt man für den Rotor ein elektrisch leitendes, nicht ferromagnetisches Material, z. B. Aluminium oder Kupfer, so erhält man ein Mitnahmemoment proportional zur Drehzahl des Flügelrades und damit proportional zur Geschwindigkeit des strömenden Wärmeträgers.
Ferner kann man durch Kombination der Hysterese-Mitnahme und der Wirbelstrom-Mitnahme ein konstantes, von der Drehzahl unabhängiges Mitnahmemoment erzeugen, dem ein der Drehzahl proportionales.
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Mitnahmemoment überlagert wird. Dies kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden, dass ein Rota der aus Aluminium oder Kupfer bestehen kann, noch zusätzlich von einem Eisendrahtring umgeben wir ( Schliesslich kann man die magnetische Kupplung zwischen dem Magneten und dem Rotor durch geeignet Polausbildung so stark machen, dass beide synchron laufen und die Flügelraddrehzahl rückwirkend durch di Bremskraft der zähen Flüssigkeit beeinflusst wird. Hiezu werden zweckmässigerweise die Spalte zwische dem Flügelrad und den Wandungen vergrössert, um die Abbremsung des Flügelrades zu erleichtern.
Man hat es also in der Hand, durch geringfügige Änderungen amRotor (Material, Form) die geeig nete Kupplungsart festzulegen, um eine mehr oder weniger grosse Berücksichtigung der Geschwindigkei des strömenden Wärmeträgers zu erzielen, je nach den Erfordernissen der Heizungsanlage.
Das zähe Medium im oberen Teil des Wärmemessgerätes nimmt infolge des guten Wärmekontakte die Temperatur des strömenden Wärmeträgers an und besitzt infolgedessen eine von dieser Temperatur be stimmte Zähigkeit. Das zähe Öl bremst nun den Rotor gerade soweit ab, bis das wirksame Bremsmomen dem Mitnahmemoment das Gleichgewicht hält. Um nun z. B. eine Drehzahlabhängigkeit des Rotors pro portional zur Temperatur zu erhalten, muss an die Zähigkeitstemperaturkurve des verwendeten Brems mediums die Bedingungsgleichung gestellt werden :
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Umfassende Untersuchungen mit zahlreichen Ölen bzw. Gemischen und Lösungen von Hochpolymere haben gezeigt, dass diese Beziehung mit ausreichender Genauigkeit über einegrössere Temperaturspann < erfüllbar ist.
Dies wurde mittlerweile auch durch eine Untersuchung der Technischen Hochschule in Darm. stadt bestätigt. Als besonders geeignet haben sich Silikonöle bzw. Gemische solcher Öle mit sogenannten Transformatorölen erwiesen. Beispielsweise erfüllt eine Mischung vonSilikonölDC 200 (5000 cSt. bei 200C) mit Clophen A 50 (ein Chlordiphenyl der Bayer Werke) zu gleichen Teilen die obige Bedingung.
Die oben beschriebene Anordnung mit dem Einbau des Gerätes in die Heizkörpermitte stellt den Idealfall dar, denn in diesem Falle ist die Messung in der Tat vollkommen unabhängig von der strömenden Heiss-
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den Fällen die gleiche, die Messung mit einem Gerät der Erfindung liefert ebenfalls denselben Wert.
In vielen Fällen kann jedoch das Gerät nicht in die Heizkörpermitte, sondern muss in den Zu- ode ! Rücklauf des Heizkörpers eingebaut werden. In diesen Fällen macht man nun von der Tatsache Gebrauch dass sowohl die Zu- als auch die Rücklauftemperatur mit der an sich zu messenden mittleren Heizkörpertemperatur funktionell zusammenhängen. Im einfachsten Fall berücksichtigt man dies durch eine entsprechend korrigierte Anfangseinstellung. Bei höheren Ansprüchen muss man jedoch die Strömungsgeschwindig- keit mit berücksichtigen, denn die im Zu- und Rücklauf gemessene Temperatur weicht umso weniger vor der mittleren Heizkörpertemperatur ab, je schneller der Wärmeträger strömt. Die Berücksichtigung de Strömungsgeschwindigkeit erfolgt mit den bereits beschriebenen Massnahmen.
In manchen Anwendungsfällen ist es vorteilhaft, den Rotor durch eine Grundbremskraft so lange zu fessein, bis diese feste Bremskraft überschritten wird von der Mitnahmekraft. Mit einer solchen Einrichtung lässt sich die Überschreitung eines festgesetzten Sollwertes registrieren. Zum Beispiel lässt sich dies da. durch realisieren, dass ein zähes Medium verwendet wird, das unterhalb einer vorbestimmten Temperatu fest wird, oder dass das zähe Medium eine von Null verschiedene Fliessgrenze besitzt. Auch lassensicl durch Verwendung eines Öls mit strukturviskosem Verhalten besondere Drehzahl-Charakteristiken erreichen da bei strukturviskosen Stoffen nichtlineare Zusammenhänge zwischen Drehzahl und Bremskraft gegeber sind.
Der Antrieb des Magneten vom Flügelrad her lässt sich auch ersetzen durch einen Hilfsantrieb (z. B.
Uhrwerk, Elektromotor od. dgl.), der solange eingeschaltet ist, so lange die Heizung in Betrieb ist. Auch kann das Zählwerk durch eine Fernzähleinrichtung ersetzt oder ergänzt werden, wobei auch mehrere oder alle einzelnen Heizkörpergeräte ihre Zählung auf ein zentrales Zählwerk weiterleiten können.
Es ist zweckmässig, in dem Gehäuse des Wassermesserteiles einen Schmutzfänger vorzusehen, z. B. in Form eines Sackloches, an dessen Verschlussschraube zur Verbesserung der Wirkung noch ein Magnetstab angebracht werden kann.
Die dargelegten Zusammenhänge lassen erkennen, dass das vorliegende Messprinzip trotz der ausser-
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ordentlichen Einfachheit ein exaktes Messverfahren darstellt. Im Gegensatz zu den bekanntgewordenen Methoden derWärmemengenmessung, die mit komplizierten mechanischen oder elektrischen Einrichtungen arbeiten, vollzieht sich nach der Erfindung der gesamte Prozess an einem einzigen beweglichen Teil, dem Rotor, wenn man von dem Flügelrad als dem antreibenden Element und dem Zählwerk als dem integrierenden Anzeigemittel absieht. Die Erfindung stellt daher eine ins äusserste getriebene Vereinfachung eines produktbildenden und integrierenden Messgerätes dar.
Es ist in seinem Grundaufbau sogar wesentlich einfacher als gewöhnliche Wassermesser, die im allgemeinen komplizierte Untersetzungsgetriebe, meistens sogar im strömenden Medium ("Nassläufer") aufweisen, um vor der eingebautenkraftverzehrenden Stopfbuchsendurch- führung eine ausreichende Kraftsteigerung zu erzielen. Gegenüber den bekanntgewordenen Wassermessern mit magnetischer Kupplung, die unterhalb eines bestimmten festen Temperaturwertes die Zählung blockieren, besitzt die Erfindung den ausschlaggebenden Vorteil der kontinuierlichen und exakten Temperaturberücksichtigung, durch die das Verfahren erst die Voraussetzungen für eine Messeinrichtung schafft.
PATENTANSPRÜCHE : l. Wärmemengenzählvorrichtung mit einem auf die Strömung des Wärmeträgers ansprechenden Flü- gelrad und einem von diesem über eine Magnetkupplung angetriebenen Rotor, der mit integrierenden Anzeigemitteln, beispielsweise einem Zählwerk, gekoppelt ist und zur Erzielung einer Bremswirkung in ein zähes Medium eintaucht, dadurch gekennzeichnet, dass das zähe Medium den Rotor (4) völlig umgibt und mit dem Wärmeträger in gutem Wärmeaustausch steht, wobei eine Temperaturänderung des Wärmeträgers eine entsprechende Viskositätsänderung des zähen Mediums und damit eine Änderung der Drehzahl des Rotors (4) bedingt.
2. Vorrichtung nachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, dassdaszäheMediumausStoffen mit einer von Null verschiedenen Fliessgrenze, insbesondere aus Silikonölen oder Gemischen von Silikon- ölen mit andern Stoffen (z. B. Transformatorölen), besteht.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zähe Me- dium unterhalb einer vorbestimmten Temperatur den Rotor (4) auf die Drehzahl Null abbremst.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Gehäuse angeordnet ist, das aus einem Material hoher Permeabilität besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) mit unsymmetrischen Polen ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) aus ferromagnetischem Material besteht.
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topfförmig ausgebildet ist und eine vorzugsweise ungerade Anzahl über seinen Umfang gleichmässig verteilter unsymmetrischer Pole aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) aus nicht ferromagnetischem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) zum Teil aus ferromagnetischem und zum Teil aus nicht ferromagnetischem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht, wobei beide Stoffkomponenten symmetrisch zur Rotorachse verteilt sind.
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