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Die
Erfindung betrifft eine Drehmoment-Meßvorrichtung für Elektromotoren
mit einem Stator und einem Rotor.
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Das
Drehmoment in Abhängigkeit
der Drehzahl ist eine wichtige Kenngröße für einen Elektromotor.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Drehmoment-Meßvorrichtung
bereitzustellen, mit welcher sich das Drehmoment in Abhängigkeit
der Drehzahl auf einfache und genaue Weise ermitteln läßt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß eine
Halteeinrichtung zum Halten des Stators eines Elektromotor-Prüflings vorgesehen ist,
eine Antriebseinrichtung für
den Rotor vorgesehen ist und ein Drehmomentsensor vorgesehen ist, welcher
an die Antriebseinrichtung gekoppelt ist.
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Bei
dieser Drehmoment-Meßvorrichtung
läßt sich
der Stator drehfest halten und im Motorbetrieb oder bei stromlosem
Motor läßt sich
dem Rotor über die
Antriebseinrichtung eine Drehbewegung aufzwingen bzw, der Rotor
extern antreiben. Über
den Drehmomentsensor läßt sich
wiederum das Drehmoment messen, das benötigt wird, um den Rotor anzutreiben.
Dadurch erhält
man das Drehmoment in Abhängigkeit
der Ausgangsdrehzahl. Es lassen sich so insbesondere das Anlaufmoment
und das Rastmoment des Elektromotor-Prüflings messen.
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Insbesondere
ist es vorgesehen, daß mit
der Antriebseinrichtung eine gleichgerichtete Bewegung zu einer
Drehrichtung des Rotors bei Motorbetrieb ausübbar ist, d. h. durch die Antriebseinrichtung
wird der Rotor in der Drehrichtung angetrieben bzw. es wird ihm
eine entsprechende Drehbewegung aufgezwungen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die Antriebseinrichtung
Drehzahlen zwischen einer Umdrehung pro Minute und 20000 Umdrehungen
pro Minute erreichbar sind. Dadurch läßt sich das Drehmoment für Elektromotoren
in einem großen Drehzahlbereich
messen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Antriebseinrichtung einen
eisenlosen Antriebsmotor umfaßt.
Eisenlose Antriebsmotoren weisen eine sehr geringe mechanische Zeitkonstante
auf, so daß sich eine
hohe Genauigkeit bei der Drehmomentmessung erreichen läßt. Weiterhin
weisen sie keine magnetischen Rastmomente auf, so daß die Messung
davon unbeeinflußt
ist.
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Mit
einem eisenlosen Antriebsmotor lassen sich beispielsweise Drehzahlen
von 500 Umdrehungen pro Minute und größer erreichen. Es ist dann
insbesondere vorteilhaft, wenn die Antriebseinrichtung einen Riemenantrieb
umfaßt.
Es lassen sich dann auch Drehzahlen unterhalb 500 Umdrehungen pro Minute
erreichen, um so wiederum einen breiten Drehzahlbereich abdecken
zu können.
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Günstigerweise
ist eine Drehbewegung des Rotors wahlweise mit dem Riemenantrieb
oder dem eisenlosen Antriebsmotor antreibbar, so daß Drehzahlen
in einem großen
Drehzahlbereich einstellbar sind.
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Insbesondere
ist beim Antrieb mittels des eisenlosen Antriebsmotors der Riemenantrieb
abgekoppelt, so daß mechanische
Beschädigungen
des Riemenantriebs vermieden sind.
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Ein
einfacher Aufbau der Vorrichtung läßt sich erreichen, wenn beim
Antrieb mittels des Riemenantriebs eine Motorwelle des eisenlosen
Antriebs über
den Riemenantrieb angetrieben ist. Dadurch muß der Antriebsmotor nicht weggeschwenkt werden.
Da der Antriebsmotor eisenlos ist, läßt sich dessen Motorwelle extern
antreiben.
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Insbesondere
ist der Drehmomentsensor an den eisenlosen Antriebsmotor gekoppelt
und/oder mittels des eisenlosen Antriebsmotors ausgebildet. Im ersteren
Falle ist der Drehmomentsensor an eine Motorwelle des eisenlosen
Antriebsmotors gekoppelt. Dadurch läßt sich ein einfacher Aufbau
der Vorrichtung realisieren, da diese Ankopplung bei Messungen im
gesamten Drehzahlbereich nicht verändert werden muß.
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Insbesondere
ist der Drehmomentsensor zwischen dem eisenlosen Antriebsmotor und
dem Rotor des Elektromotor-Prüflings
positioniert, um so das Drehmoment messen zu können.
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Es
kann dabei eine Drehzahlmessung an der Antriebseinrichtung vorgesehen
sein, um die Drehzahl zu bestimmen, mit welcher eben die Antriebseinrichtung
angetrieben ist und insbesondere um die Drehzahl zu bestimmen, mit
der sich eine Motorwelle des eisenlosen Antriebsmotors dreht.
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Ebenfalls
günstig
ist es, wenn eine Drehzahlmessung und/oder Winkelpositionsmessung
an dem Rotor vorgesehen ist. Dadurch läßt sich die Drehzahl und/oder
die Winkelposition des Rotors definiert ermitteln.
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Eine
hohe Genauigkeit bei der Drehmomentmessung läßt sich erreichen, wenn mindestens
eine Ausgleichskupplung zwischen der Antriebseinrichtung und einer
Fixierungseinrichtung für
den Rotor vorgesehen ist. Achsversätze in der Meßvorrichtung können zu
einer Beeinflussung der Drehmomentmessung führen. Über Ausgleichskupplungen lassen sich
solche Achsversätze
ausgleichen, um so eben wiederum eine hohe Genauigkeit der Drehmomentmessung
zu erreichen.
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Es
kann vorgesehen sein, daß der
eisenlose Antriebsmotor luftgelagert ist, um so Vibrationen im System
zu minimieren.
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Insbesondere
ist über
die erfindungsgemäße Vorrichtung
das Drehmoment in Abhängigkeit
der Drehzahl des Rotors meßbar.
Auch die Motorreibung ist in Abhängigkeit
der Drehzahl meßbar.
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Es
ist vorteilhaft, wenn eine Halteplatte für den Stator luftgelagert ist.
Dadurch läßt sich
dieser vibrationsarm lagern, so daß eine entsprechende Beeinflussung
des Meßergebnisses
minimiert ist.
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Es
kann vorgesehen sein, daß über einen Motorstrom
des eisenlosen Antriebsmotors ein Drehmoment meßbar ist. Der eisenlose Antriebsmotor wirkt
dann als Ganzes als Drehmomentsensor. Da ein eisenloser Antriebsmotor
kein magnetisches Rastmoment hat, läßt sich das (Eigen-)Drehmoment des
Elektromotor-Prüflings
ermitteln. Bei bekannter Motorkonstante des eisenlosen Antriebsmotors
läßt sich
aus dem Motorstrom des eisenlosen Antriebsmotors das Drehmoment
bestimmt.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Antriebseinrichtung eine
höhere
Leistung und insbesondere deutlich höhere Leistung aufweist als
der Elektromotor-Prüfling.
Es läßt sich
dann durch die Antriebseinrichtung bei Motorbetrieb des Elektromotor-Prüflings diesem
eine Drehbewegung aufzwingen, welche durch die Antriebseinrichtung
bestimmt ist. Es ergibt sich dadurch die Möglichkeit, insbesondere auch
bei kleinen Drehzahlen das Drehmoment genau zu messen und insbesondere
das Anlaufdrehmoment mit guter Genauigkeit zu messen.
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Die
nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient im Zusammenhang mit
der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung.
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Die
einzige 1 zeigt eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehmoment-Meßvorrichtung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Drehmoment-Meßvorrichtung,
welches in 1 schematisch
gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine
Halteeinrichtung 12 für einen
Elektromotor-Prüfling 14.
Der Elektromotor umfaßt
dabei einen Stator 16 und einen relativ zu diesem Stator 16 rotierbaren
Rotor 18. In 1 ist
eine Ausführungsform
eines solchen Elektromotors gezeigt, bei welchem der Rotor 18 eine
Rotornabe 20 aufweist.
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Die
Halteeinrichtung 12 umfaßt beispielsweise eine Halteplatte 22,
gegenüber
welcher der Stator 16 drehfest fixiert wird, beispielsweise über Klammern
(in der Zeichnung nicht gezeigt). Der Stator 16 wird so
gegenüber
der Halteplatte 22 fixiert, daß die Rotation des Rotors 18 unbehindert
ist.
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Es
kann vorgesehen sein, daß die
Halteplatte 22 selber luftgelagert ist, um den Elektromotor-Prüfling 14 vibrationsfrei
in der Drehmoment-Meßvorrichtung 10 zu
lagern.
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Der
Rotor 18 dreht sich bei Motorbetrieb um eine Drehachse 24.
Erfindungsgemäß ist eine
als Ganzes mit 26 bezeichnete Antriebseinrichtung vorgesehen, welche
an den Rotor 18 koppelbar ist. Die Antriebseinrichtung 26 weist
eine deutlich höhere Leistung
auf als der Elektromotor-Prüfling 14.
Dadurch läßt sich
eine Rotationsbewegung mit von der Antriebseinrichtung 26 vorgegebener
Drehzahl bei Motorbetrieb "aufzwingen" oder der Rotor 18 läßt sich
bei stromlosem Motor 14 extern antreiben.
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Die
Antriebseinrichtung 26 umfaßt eine Fixierungseinrichtung 28,
an welcher der Rotor 18 sich drehfest fixieren läßt. Beispielsweise
ist die Fixierungseinrichtung 28 als Spannfutter ausgebildet,
in welches die Rotornabe 20 einlegbar ist und dann die Rotornabe
verklemmbar ist. Insbesondere ist die Öffnungsweite eines solchen
Spannfutters einstellbar, so daß Rotornaben 20 mit
unterschiedlichem Durchmesser einspannbar sind.
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Die
Fixierungseinrichtung 28 ist drehfest mit einer Welle 30 verbunden,
welche wiederum durch die Antriebseinrichtung 26 angetrieben
ist. Es kann dabei vorgesehen sein, daß die Welle 30 mehrteilig ausgebildet
ist und eine oder mehrere Ausgleichskupplungen 32a, 32b vorhanden
sind. Diese Ausgleichskupplungen 32a, 32b erlauben
es, einen eventuellen Achsversatz der Welle 30 zu der Drehachse 24 des
Rotors 18 auszugleichen. Bevorzugterweise liegt die Welle 30 koaxial
zur Drehachse 24. Bei der Fixierung der Welle 30 an
dem Rotor 18 kann jedoch ein Versatz auftreten. Ein solcher
Versatz kann auch durch die Anordnung der Antriebseinrichtung 26 vorliegen.
Durch die Ausgleichskupplungen 32a, 32b ist ein
solcher Versatz ausgleichbar.
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Für den Rotor 18 ist
eine Drehzahlmessung vorgesehen. Gegebenenfalls ist auch eine Messung der
Winkelposition vorgesehen. Dazu ist an die Welle 30 beispielsweise
eine Codierscheibe 34 gekoppelt, welche entsprechende Codiersymbole
trägt.
Durch Auslesung dieser Codiersymbole über einen Encoder 35 kann
die Drehzahl und gegebenenfalls die Winkelposition des Rotors 18 über die
Welle 30 bestimmt werden.
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Die
Antriebseinrichtung 26 umfaßt einen eisenlosen Antriebsmotor 36.
Ein eisenloser Antriebsmotor mit eisenlosem Rotor weist eine kleine
mechanische Zeitkonstante auf. Insbesondere weist ein Motor mit
eisenlosem Rotor keine magnetischen Rastmomente auf.
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Eine
Motorwelle 38 dieses eisenlosen Antriebsmotors 36 ist
an einen Drehmomentsensor 40 gekoppelt, wobei dieser Drehmomentsensor
40 wiederum an die Welle 30 gekoppelt ist. Der Drehmomentsensor 40 kann
beispielsweise schwenkbar angeordnet sein, um ihn für eine Drehmomentmessung mittels
des eisenlosen Antriebsmotors 26 selber entkoppeln zu können.
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Der
Drehmomentsensor 40 ist drehfest an der Drehmoment-Meßvorrichtung 10 bezüglich der Halteplatte 22 angeordnet.
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Der
eisenlose Antriebsmotor 36 ist ebenfalls drehfest angeordnet.
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Die
Drehzahl der Motorwelle 38 wird gemessen. Dazu ist beispielsweise
eine weitere Codierscheibe 42 vorgesehen und ein Encoder 44 zum
Auslesen der Drehzahlinformationen aus der Codierscheibe 42.
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Die
Motorwelle 38 ist mit einer Drehachse 46 koaxial
zu der Drehachse 24 des Rotors 18 ausgerichtet.
Wie oben erwähnt,
können
Ausgleichskupplungen 32a, 32b dazu dienen, einen
entsprechenden Versatz auszugleichen.
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Über den
eisenlosen Antriebsmotor 36 lassen sich Drehzahlen erreichen,
welche insbesondere größer als
500 Umdrehungen pro Minute sind und beispielsweise bis ca. 20000
Umdrehungen pro Minute gehen.
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Die
Drehzahl der Motorwelle 38 wird über eine entsprechende Strombeaufschlagung
des eisenlosen Antriebsmotors 36 gesteuert. Es ist eine Messung
des Motorstroms des Antriebsmotors 36 vorgesehen.
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Der
eisenlose Antriebsmotor 36 kann luftgelagert sein, um einen
möglichst
vibrationsarmen Antrieb des Rotors 18 zu erreichen.
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Um
kleinere Drehzahlen insbesondere unterhalb 500 Umdrehungen pro Minute
zu erhalten, umfaßt
die Antriebseinrichtung 26 erfindungsgemäß einen
weiteren Antrieb und insbesondere einen Riemenantrieb 48.
Dazu sitzt an der Motorwelle 38 des eisenlosen Antriebsmotors 36 eine
Riemenscheibe 50. Diese Riemenscheibe 50 ist drehfest
mit der Motorwelle 38 verbunden.
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Der
Riemenantrieb 48 umfaßt
weiter einen Antriebsmotor 52 mit einer Motorwelle 54,
welche eine weitere Riemenscheibe 56 antreibt. Über einen Riemen 58 ist
die Motorwelle 38 über
den Antriebsmotor 52 antreibbar.
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Da
der Antriebsmotor 36 eisenlos ist, läßt sich die Motorwelle 38 auch
im stromfreien Zustand des Antriebsmotors 36 extern antreiben,
nämlich über den
Riemenantrieb 48.
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Wenn
die Motorwelle 38 über
den eisenlosen Antriebsmotor 36 angetrieben wird und insbesondere die
Drehzahlen der Motorwelle 38 oberhalb 500 Umdrehungen pro
Minute eingestellt sind, dann ist die Riemenscheibe 50 von
der Motorwelle 38 entkoppelt. Dazu ist eine entsprechende
Entkopplungseinrichtung vorgesehen.
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Durch
die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung 26 mit
einem eisenlosen Antriebsmotor 36 und einem Riemenantrieb 48 lassen
sich Drehzahlen zwischen einer Umdrehung pro Minute und 20000 Umdrehungen
pro Minute einstellen, so daß wiederum
das Drehmoment und das Reibungsmoment von Elektromotor-Prüflingen 14 in
diesem Drehzahlbereich gemessen werden können.
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Die
Messung erfolgt wie folgt:
Nach Einspannen des Elektromotor-Prüflings 14 in der
Drehmoment-Meßvorrichtung 10 wird
der Elektromotor 14 mit einer bestimmten Drehzahl betrieben.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß ein Motorstrom des Elektromotors 14 gemessen
wird sowie ein Gesamtstrom, welcher sich zusammensetzt aus dem Motorstrom
und einem durch eine Motoransteuerungsschaltung 60 fließenden Strom.
Weiterhin wird die Spannung gemessen, mit welcher die Motoransteuerungsschaltung 60 beaufschlagt
wird.
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Darüber hinaus
können
auch die Phasenspannungen am Elektromotor 14 ermittelt
werden.
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Auch
weitere, winkelabhängige
Größen wie die
Motorkonstante, der Streufluß außerhalb
des Elektromotors 14 oder die Induktivität der Rotorwicklungen
des Rotors 18 lassen sich messen.
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Die
Motorwelle 38 der Antriebseinrichtung 26 wird
mit einer Drehzahl betrieben, die gleichgerichtet ist zur Drehrichtung
des Elektromotor-Prüflings 14. Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung
der Antriebseinrichtung 26 ist dabei ein weiter Drehzahlbereich
zwischen einer Umdrehung pro Minute und 20000 Umdrehungen pro Minute
möglich.
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Über den
Encoder 35 läßt sich
die Drehzahl des Rotors 18 ermitteln. An dem Drehmomentsensor 40 wird
dann das resultierende Drehmoment abgelesen, welches dann in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Rotors 18 steht.
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Je
nach relevanter Drehzahl wird die Motorwelle 38 über den
Riemenantrieb 48 angetrieben oder über den eisenlosen Antriebsmotor 36.
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Es
kann dabei grundsätzlich
vorgesehen sein, daß eine
Leerlastkurve, d. h. Kennlinie, des eisenlosen Antriebsmotors 36 aufgenommen
und gespeichert wird. Es läßt sich
dann eine Drehmomentmessung mittels des eisenlosen Antriebsmotors 36 durchführen. Der
Drehmomentsensor 40 ist bei einer solchen Messung weggeschwenkt.
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Das
Drehmoment ergibt sich als Produkt des Motorstroms des eisenlosen
Antriebsmotors 26 und dessen Motorkonstante. Die Motorkonstante
wird aus der Kennlinie entnommen.
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Mit
dem beschriebenen Aufbau ist es beispielsweise auch möglich, die
induzierte Spannung, die der Elektromotor-Prüfling 14 bei einer
bestimmten Drehzahl abgibt, wenn er fremdangetrieben wird, zu messen.
Dazu wird der Elektromotor 14 selber nicht betrieben, d.
h. er bleibt stromlos. Über
die Antriebseinrichtung 26 wird der Rotor 18 gedreht
und dabei die entsprechende Spannungsmessung durchgeführt.
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Grundsätzlich sind
auch Drehmomentmessungen möglich,
wenn der Rotor 18 nur extern durch die Antriebseinrichtung 26 angetrieben
wird.
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- 10
- Drehmoment-Meßvorrichtung
- 12
- Halteeinrichtung
- 14
- Elektromotor-Prüfling
- 16
- Stator
- 18
- Rotor
- 20
- Rotornabe
- 22
- Halteplatte
- 24
- Drehachse
- 26
- Antriebseinrichtung
- 28
- Fixierungseinrichtung
- 30
- Welle
- 32a
- Ausgleichskupplung
- 32b
- Ausgleichskupplung
- 34
- Codierscheibe
- 35
- Encoder
- 36
- eisenloser
Antriebsmotor
- 38
- Motorwelle
- 40
- Drehmomentsensor
- 42
- Codierscheibe
- 44
- Encoder
- 46
- Drehachse
- 48
- Riemenantrieb
- 50
- Riemenscheibe
- 52
- Antriebsmotor
- 54
- Motorwelle
- 56
- Riemenscheibe
- 58
- Riemen
- 60
- Motoransteuerungsschaltung