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Schaltungsanordnung für kollektorlose Motoren Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines kollektorlosen Motors, vorzugsweise
eines Kleinstmotors, unter Verwendung einer Gleichstromquelle und elektronischer
Schaltmittel. Unter einem kollektorlosen Motor soll ein solcher Motor verstanden
werden, bei dem die für die Stromzuführung zur Ankerwicklung normalerweise vorgesehene,
aus mechanischen Kontaktstücken zusammengesetzte Schalteinrichtung (»Kollektor«)
fehlt.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
versehenen Motors bildet der Antrieb oder die Steuerung elektrischer Uhren.
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Der Gedanke, einen Elektromotor nach Art eines Einphasen-Wechselstrommotors
zu bauen, bei dem einer Wicklung eine periodische Wechselspannung als Steuerspannung
entnommen und einer elektronischen Schaltvorrichtung zugeführt wird, über die eine
zweite Wicklung so erregt wird, daß der Rotor in der bereits eingeschlagenen Drehrichtung
weiter angetrieben wird, ist bekannt.
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Bei der Schaltanordnung nach der Erfindung sind bei einem solchen
kollektorlosen Motor Rotor und Stator derart ausgebildet, daß in einer auf dem Stator
angeordneten Wicklung ausschließlich durch die Relativbewegung zwischen dem mit
ausgeprägten Polen versehenen Rotor und dem Stator die Steuerspannung für die elektronische
Schaltvorrichtung erzeugt wird, deren Ausgangsspannung der zweiten Wicklung, der
Antriebswicklung, in Form von Gleichstromimpulsen aufgedrückt wird.
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Als elektronische Verstärkerschaltung wird als zweckmäßige Ausführung
der Erfindung eine Transistorschaltung verwendet. Die Wicklung auf dem Motor, welcher
die Steuerspannung entnommen wird, ist vorzugsweise eine Statorwicklung, und auch
die Antriebsimpulse werden vorzugsweise mindestens einer Statorwicklung des Motors
zugeführt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der- erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sieht vor, als Rotor einen Permanentmagnet zu benutzen.
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Eine sich als zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besonders bewährende
Schaltungsweise besteht darin, daß bei Verwendung eines Transistors als elektronisches
Schaltmittel bzw. als elektronischer Verstärker die den Eingangskreis des Transistors
steuernde Statorspule im Verhältnis zu dem Rotor so angeordnet ist und die einzig
vorgesehene, die verstärkte Leistung liefernde Stromquelle hinsichtlich ihrer Spannung
so gewählt ist, daß nur die Spitzen der in der steuernden Statorspule erzeugten
Spannungen einen Stromfluß im Ausgangsstromkreis des Transistors bewirken. Die Verwendung
eines Permanentmagnets als Rotor des Motors bringt den Vorteil sehr geringer Dämpfungsverluste
im Motor selbst mit sich, was besonders dann von Wichtigkeit ist, wenn ein in seiner
Leistung stark begrenzter Transistor das Verstärkungsmittel bildet.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren
dargestellt. Von den Figuren zeigen Fig.1 und 2 die grundsätzliche Schaltungsweise
nebst Zeitverlauf des steuernden Induktionsflusses in der steuernden Statorspule,
der erzeugten elektromotorischen Kraft und des gesteuerten Stromes für die Antriebsspule,
Fig.3 eine Ausführungsform, bei welcher die Statorspulen gegenüber der Zylinderfläche
des zylinderförmigen Rotors angeordnet sind, Fig. 4 eine Ausführungsform mit einem
scheibenförmig ausgebildeten Rotor, Fig.5 bis 8 eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Motors mit als Flachspulen ausgebildeten Statorspulen sowie die
Wirkungsweise einer solchen Anordnung, Fig.9 eine Motorenanordnung mit zwei Rotoren,
die der steuernden bzw. der gesteuerten Statorwicklung zugeordnet sind, Fig. 10
bis 13 eine Motorenanordnung mit ringförmig ausgebildeten, den Rotor umgebenden
Statorwicklungen,
Fig. 14 eine weitere Ausführungsform mit H-förmig
ausgebildetem permanentmagnetischem Rotor und nur einer Wicklung auf dem Stator,
Fig. 15 bis 17 die konstruktive Ausgestaltung eines für die Anwendung im Rahmen
der Erfindung sieh besonders eignenden Motors; Fig. 18,19 und 20 zeigen mehrpolige
Anordnungen für den Dauermagnetrotor von kollektorlosen Motoren der zur Erörterung
stehenden Art, Fig. 21 einen Motor nach der Erfindung mit einer Drehzahlsynchronisierungsvorrichtung,
Fig. 22 und 23 eine Schnittansicht und eine Draufsicht der Hauptorgane eines mehrpoligen
Motors, dessen Drehzahl durch zwei einander entgegengesetzt schwingende Taktgeber
gesteuert wird, welche mit dem Anker magnetisch gekuppelt sind, Fig. 24 (Ansicht
a, b, c) verschiedene Ausführungen von Dauermagneten, die für die Läuferausführung
nach Fig. 22 und 23 Verwendung finden können, Fig. 25 und 26 in Ansicht und Draufsicht,
teilweise im Schnitt, einen Motor, dessen Taktgeber ein Pendel ist, das Kreisschwingungen
ausführt, Fig.27 und 28 eine Ansicht und einen Schnitt durch einen Motor nach der
Erfindung mit Synchronisiervorrichtung zum Antrieb eines Uhrwerks, Fig.29 einen
Schaltplan der Anordnung nach Fig. 27 und 28, Fig.30 eine Ausführungsform einer
Taschenuhr mit dem in Fig.27 und 28 dargestellten Laufwerk, Fig.31 eine vereinfachte
Ausführungsform des Motorteils nach Fig. 22 und 23, Fig.32 in größerem Maßstab und
im Vertikalschnitt einen Transistormotor mit taktgebender Unruh. In Fig. 1 ist der
Transistor mit TR bezeichnet. A ist der Rotor der Motoranordnung, der als ein scheibenförmiger
Permanentmagnet mit nur einem Polpaar dargestellt ist.
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Dem Rotor ist als steuernde Spule die Statorwicklung BC zugeordnet,
die zwischen Emitterelektrode e und Basiselektrode b eingeschaltet ist. Zwischen
Emitterelektrode e und Kollektorelektrode c liegen in Serie geschaltet die Antriebsspule
BM und die Gleichstromquelle S.
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Die den Eingangskreis des Transistors steuernde Statorspule BC ist
zweckmäßigerweise so angeordnet und die Spannungsquelle S so bemessen, daß nur die
Spitzen der in der steuernden Statorspule BC erzeugten Spannungen einen Stromfluß
im im Transistor bewirken.
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Die Wirkungsweise ergibt sich aus Fig.2. Der Teil F des von der Spule
BC erfaßten Magnetflusses schwankt, wie Fig. 2 a zeigt, wobei T die Dauer einer
Umdrehung des Ankers A ist. Demzufolge hat die elektromotorische Kraft e, welche
den Eingangsimpuls für den Transistor TR erzeugt, die in Fig. 2b dargestellte Kurvenform,
da sie der zeitlichen Ableitung der Kurve F in Fig. 2 a proportional ist. Es entwickelt
sich die Spannung e maximal bzw. minimal, wenn der Magnetpol N oder S vor der Statorspule
BC vorbeiwandert. Der Transistor TR liefert einen pulsierenden Ausgangsstrom im,
der in Fig. 2c dargestellt ist und gegenüber den positiven Spitzen der steuernden
Spannung e phasenmäßig um die Zeit tr verschoben sein kann. Die Statorspule BM,
welche den Antrieb des Rotors bewirkt, ist so anzuordnen, daß an ihr sich gerade
der andere Magnetpol vorbeibewegt, wenn der Strom im auftritt.
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Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsformen von Motoren, die nach dem
in Fig. 1 schematisch wiedergegebenen -Prinzip wirken. Die Konstruktion eignet sich
für die Ausführung von Kleinstmotoren. In der Vorrichtung nach Fig. 3 ist der Rundmagnet
A von einem Hohlzylinder aus magnetisch weichem Werkstoff BL umgeben. Er dreht sich
vor den festen Spulen BC und BM, die keine ferromagnetischen Kerne enthalten. In
Fig. 4 wird der Läufer durch zwei Magnete A1 und A2 gebildet, zwischen denen die
festen Hohlspulen BC und BM unsymmetrisch angeordnet sind. Wenn die mit dem Antriebsritzel
pg versehene Achse sorgfältig gelagert ist, kann der Motor nach Fig. 4 sich unter
dem Einfluß eines äußerst schwachen periodischen Stromes drehen. Die Eisenverluste
werden, weil kein Statoreisen vorhanden ist, praktisch vermieden.
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Fig. 5 zeigt einen mehrpoligen Motor, der aus zwei Scheiben 37 und
38 aus nicht magnetisierbarem Material geringer Dichte (z. B. Aluminium) bestehen
kann, in die mehrere kleine zylindrische Magnete 39 eingelegt sind. Diese Magnete
bestehen aus Material von großer Koerzitivkraft. Die inneren Kraftlinien verlaufen
parallel zur Läuferachse, und zwar mit wechselnder Polarität bei den in der Umfangsrichtung
aufeinanderfolgenden Magneten, wie es die Fig. 6 und 7 zeigen. Die Scheiben 37 und
38 bilden ein Ganzes mit einer gemeinsamen Achse 40; die vorzugsweise in Kugellagern
gelagert ist. Die ungleichnamigen Pole der eingelegten Magnete stehen sich gegenüber.
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Zwischen den Scheiben 37 und 38 werden (durch nicht gezeichnete isolierende
Lagerungen) feste Spulen BC, BM1 und BM, gemäß Fig. 5 und 6 angeordnet. Diese Spulen
haben flache Form. Ihr Innendurchmesser kommt dem Durchmesser der Magnete 39 nahe.
Der Durchmesser der Wicklung entspricht etwa dem Abstand p der beiden Pole N und
S von in der Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Magneten.
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Die Spule BC bildet die steuernde Spule, die in geeigneten Augenblicken
den Transistor TR entsperrt, der dann die Antriebsspulen BM, und BM2 mittels der
oben zu Fig. 5 angegebenen Anordnung speist, wobei die Energie von der Gleichstromquelle
18 (Batterie, gleichgerichtete Wechselspannung usw.) geliefert wird.
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Die Kurven a und b in Fig. 8 bezeichnen die Arbeitsweise. In den Abszissen
sind die zurückgelegten Wege aufgetragen. Der die Spule BC durchlaufende veränderliche
Wechselfluß 0 ist als Kurve a aufgetragen. Wie bei jedem einfachen Magnetinduktor
entwickelt sich in der WicklungBC eine Induktions-EMK, wenn die Änderungsgeschwindigkeit
des Kraftflusses hoch ist, und der Transistor TR bewirkt die Stromstöße ic, wiedies
die Kurve b der Fig. 8 anzeigt. Man bann die-Schaltungen so einrichten, daß
der Läufer in einer einzigen bestimmten Richtung betätigt wird. Es läßt sich erkennen,
daß die gewählten Maßverhältnisse die Spulen auf eine große Länge hin wirksam werden
lassen: Es ist möglich, verhältnismäßig umfangreiche Spulen zu verwenden, auf die
starke induzierende Felder wirken. Es entstehen drei aufeinanderfolgende Impulse
je Läuferumdrehung.
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Die Trägheit des Läufers ermöglicht die Überwindung der toten Punkte.
Erforderlichenfalls kann man das Trägheitsmoment erhöhen, indem man um die Scheiben
37 Schwungräder 41 und 42 aus nicht magnetisierbarem Material (z. B. Messing) anbringt.
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Durch Verwendung der Spulen BC, B111 und BM2, die keine ferromagnetischen
Stoffe enthalten, kann eine Drehung des Motors mit schwacher mittlerer Leistungsaufnahme
erreicht werden, denn die elektrischen
und mechanischen Verluste
sind gering. Es ist vorteilhaft, eine Wicklung BM1 und BM2 zu wählen, die eine Induktions-Gegen-EMK
ergibt, welche insgesamt gleich oder größer ist als die Hälfte der Spannung U, wenn
der Motor sich mit normaler Drehzahl dreht.
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Der Motor Fig. 6 kann in sehr geringen Abmessungen gehalten werden.
Wenn die geforderte mechanische Leistung klein ist, kann man den einen der die Magnete
39 enthaltenden Teile 37 oder 38 durch eine einfache dünne Scheibe aus ferromagnetischem
Material ersetzen, die die Kraftlinien außerhalb der Magnete des umschlossenen Läuferteiles
schließen. Man kann auch einen einzigen mehrpoligen Läufer entsprechend demjenigen
nach Fig. 5 verwenden.
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In den Antriebsvorrichtungen nach Fig. 5 und 6 enthalten die dargestellten
Wicklungen keine ferromagnetischen Kerne. Man könnte natürlich Kerne von guter magnetischer
Permeabilität einsetzen, ähnlich denjenigen, wie sie in Radiogeräten benutzt werden
(Kerne aus Metallpulver mit hohem spezifischem Widerstand und schwacher Hysteresis).
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Fig.9 zeigt einen weiteren kollektorlosen Motor, der durch eine Batterie
S oder durch gleichgerichteten Wechselstrom gespeist wird.
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Der Motor enthält einen Läufer, der durch die Magnete AC und AM gebildet
wird. Diese Magnete, die aus in der Durchmesserrichtung magnetisierten Scheiben
bestehen, spielen zugleich die Rolle von Schwungrädern und drehen sich jeweils in
zweipoligen Ständern mit stark einhüllenden Polen, die den Dauermagnetläufer weitgehend
umfassen und damit eine Verminderung der periodischen Schwankungen des magnetischen
Widerstandes verursachen. Die Ständer sind mit Wicklungen BC, BM1 und BM2 versehen.
Der Steuerteil mit dem Läufer AC und mit der Spule BC verhält sich wie eine Wechselstrommaschine
schwacher Leistung und liefert die Steuerimpulse für den elektronischen Schalter
oder Verstärker TR. Letzterer liefert eine viel stärkere Leistung in die Wicklungen
BM1, BM., welche den Läufermagnet AM zum Drehen bringt. Hierzu muß der Magnet AC
zweckmäßig so gegen AM versetzt sein, daß die Stromimpulse immer dann einsetzen,
wenn der Läufer eine günstige Lage einnimmt.
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Man kann auch Mehrphasen-Steuerimpulse erzeugen, die durch mehrere
Transistoren einen Mehrphasenmotor betätigen, um einen guten Gleichförmigkeitsgrad
für die Bewegung des umlaufenden Teils zu erhalten.
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Die Fig. 10 bis 13 zeigen eine weitere Ausführungsvariante des Motors.
Der Läufer besteht aus einem kleinen, höchstkoerzitiven Magnet A der sich im Innern
der Spulen BC und BM dreht. Im -Innern dieser Spulen befinden sich in bei Kleinmotoren
und Kleingeneratoren bekannter Weise schmale ineinandergreifende feste Pole; die
durch die in Fig. 13 besonders dargestellten gezahnten Teile 92 und 93 gebildet
sind. Die Spulen sind in einem ferromagnetischen Gehäuse aus drei Teilen 94, 95
und 96 angeordnet. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dem Magnet A einen kleinen
Durchmesser, z. B. weniger als 15 mm, zu geben.
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Der Motor nach Fig. 10 kann wie auch die anderen hier beschriebenen
Motoren selbstverständlich auch mit Wechselstrom betrieben werden. Denn der aus
Magnetläufer und Spule BM bestehende Antriebsteil ist nichts anderes als ein normaler
kleiner Wechselstromsynchronmotor. In diesem Fall wird die Spule BM an die Wechselspannung
u gelegt. Durch Verwendung des in Fig. 10 gezeigten Umschalters 97 wird die Umschaltung
auf Wechselstromanschluß erleichtert.
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An Stelle der obenerwähnten Transistormotoren kann man auch einen
gewöhnlichen Synchronmotor M mit nur einer Wicklung BM verwenden. In diesem
Falle- wird die Anordnung beispielsweise entsprechend Fig. 14 abgeändert, um den
Schaltimpuls für den Transistor TR durch die Spule BM des Motors zu erzeugen. Die
Erfahrung hat gezeigt, daß dieses Ergebnis mittels eines Hilfstransformators zu
erreichen ist, dessen Primärwicklung an BM gelegt ist. Die Sekundärwicklung
BC, die mit einem Widerstand R in Reihe geschaltet ist, liegt am Pluspol der Stromquelle
S und an der Elektrode b des Transistors. Es genügt, zu erreichen, daß die Phase
des durch BC erzeugten Steuerimpulses derart ist, daß die Spule BM den Impuls erhält,
wenn die Polzähne des Läufers A zu den Zähnen des Ständers von M in geeigneter Weise
versetzt liegen.
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Die Drehzahl der Läufer der in den Fig. 10 und 14 dargestellten Motoren
kann durch verschiedene bekannte Vorrichtungen auf einen bestimmten Wert eingestellt
werden (Fliehkraftregler mit Foucaultströmen, gewöhnliche Hemmwerke, Schwinglamellen
usw.). Ein Beispiel eines mit Schwingungen arbeitenden Reglers ist in den Fig. 10
und 11 dargestellt. Die Schwinglamelle ist mit LV bezeichnet.- Sie ist mit einem
kleinen Magnet NS versehen, der in der Nähe eines Zahnrades aus Eisen oder Stahl
F auf einer Achse des Motors schwingt.
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Die kollektorlosen Motoren der genannten Art sind besonders wertvoll
für Uhren mit elektrischem Auf-
zug, wobei die Speisung durch eine Gleichstromquelle
(Batterie) oder auch durch gleichgerichteten Wechselstrom erfolgen kann. Da jedoch
das Anlaufen der Motoren nicht automatisch erfolgt, können mechanische oder elektrische
Hilfsvorrichtungen verwendet werden, um nach dem Einschalten dauernden Stillstand
des Motors zu vermeiden. Elektrische Hilfseinrichtungen zur Erleichterung des Anlaufs,
beidenen Dauermagnete den Läufer bei abgeschaltetem Motor in eine für den Anlauf
günstige Stellung bringen, sind bei Synchronkleinmotoren bekannt.
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In Fig. 15 ist ein Motor dargestellt mit einer ebenfalls auf magnetischer
Basis beruhenden Anlaufeinrichtung. Der Motorläufer ist ein kleiner zylinderförmiger
Dauermagnet, dessen Magnetisierung parallel zu einem Durchmesser gerichtet ist.
Der Magnet besteht aus einem Stoff von geringer Dichte, der eine hohe Koerzitivkraft
von über 1000 Örsted und eine geringe reversible Permeabilität besitzt; man kann
beispielsweise einen Magnet aus Kobaltferrit verwenden. Der Magnet dreht sich in
einem Ständer 65, 66, der lediglich mit zwei Antriebsspulen 67 und 68 versehen ist.
Die Polschuhe sind etwas exzentrisch ausgebildet und erstrecken sich auf nahezu
180°. Die Luftspalte sind relativ breit. Das Statorjöch ist durch zwei parallele
Teile 69 und 70 ersetzt. Der aus einem magnetisch weichen Stoff bestehende Teil
69 ist von den Spulenkernen durch Luftspalte 71 getrennt. Der Teil
70 ist ein kräftiger Dauermagnet mit großer Koerzitivkraft, der von den Spulenkernen
durch die Luftspalte 72 getrennt ist.
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Ein Motor nach Fig. 15 arbeitet unter dem Einfluß von Stromstößen
geeigneter Intensität und Richtung wie folgt: Bei Fehlen eines Stromes verteilen
sich die von den Magneten 64 und 70 erzeugten magnetischen Kraftlinienflüsse, wie
es der Verlauf der mittleren Kraftlinien andeutet (gestrichelte Linien mit Pfeilen)-
Der
Magnet 64 stellt sich in die in der Figur angegebene Lage ein.
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Unter dem Einfluß des Stromes wird die Wirkung des festen Magnets
70 neutralisiert, und der Kraftlinienfluß kehrt sich in den Spulenkernen um. Die
Umkehrung der Polarität der Statorpolschuhe veranlaßt dann eine doppelte Wirkung
magnetischer Abstoßung und Anziehung, die dann eine Schwenkung des Magnets 64 um
eine halbe Umdrehung in Richtung des Pfeiles bewirkt. Nach Stromunterbrechung kehrt
sich der Kraftlinienfluß in den Spulenkernen von neuem um und nimmt seinen Anfangswert
an. Demzufolge macht der Magnet 64 eine weitere halbe Umdrehung, um in die ursprüngliche
Stellung zurückzugelangen.
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Die für die Feldumkehrungen erforderliche elektrische Energie ist
gering, denn der Magnetfluß kehrt sich niemals in dem Teil 69 um. Dieser
Teil bildet einen magnetischen Nebenschluß, der eine Entmagnetisierung des Teiles
70 unter dem Einfluß der Amperewindungen der Spulen während der Stromstöße praktisch
verhindert. Man kann die Luftspaltbreiten 71 und 72 so wählen, daß, wenn der Strom
unterbrochen wird, der Anteil des Magnetflusses von 70, der auf den Magnet 64 wirkt,
gerade ausreicht, um diesen Teil mit dem gleichen Drehmoment wie vorher wirken zu
lassen. Unter diesen Bedingungen arbeitet der Motor mittels schwacher Stromstöße
in einer bestimmten Richtung.
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Die Anordnung nach Fig. 15 kann entsprechend Fig. 16a und 16b derart
abgewandelt werden, daß der Läufer, wie bei Wechselstromsynchronmotoren üblich,
mit größerer Polzahl ausgeführt wird, damit er sich langsamer dreht. Es ist ein
Läufer mit sechs Wechselpolen dargestellt, wie sie mittels eines Dauermagnets 73
und zwei gezahnten Polstücken 74 und 75 aus weichem Eisen erhalten werden. In Fig.
16a ist die Verteilung der magnetischen Kraftlinienflüsse angedeutet, wenn die beiden
Antriebsspulen 67 und 68 über den Transistor mit Gleichstromimpulsen gespeist werden.
Nach Stromunterbrechung kehrt sich der Kraftlinienfluß in den Spulenkernen unter
dem Einfluß des festen Magnets 70 um, und der Läufer dreht sich um eine Sechstelumdrehung.
Der in Fig. 16a und 16b dargestellte Läufer könnte durch einen kleinen Magnet in
Form einer Scheibe ersetzt werden, der an seinem Rand sechs Wechselpole entsprechend
der Fig. 17 aufweist.
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Die Erfahrung zeigt, daß die Läufer der Antriebsvorrichtungen nach
Fig. 15 und 16 sich sowohl in praktisch stetiger Bewegung unter dem Einfluß eines
wellenförmigen Stromes von niedriger Frequenz als auch in ruckweiser Bewegung unter
dem Einfluß von Stromstößen in Abständen von über 0,5 Sekunden drehen können.
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Die Fig. 18 und 19 zeigen Ausführungsvarianten kleiner mehrpoliger
Läufer, die eine beträchtliche magnetische Energie in geringen Massen enthalten,
was sehr wichtig ist, um Kleinstmotoren mit geringem Energieverbrauch zu erhalten.
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Der Läufer nach Fig. 18 enthält eine flache Scheibe 38 aus einem stark
koerzitiven Material geringer Dichte, dessen Koerzitivkraft 1000 Örsted übersteigt.
Die Dauermagnetisierung ist parallel zur Achse 0 des Läufers gerichtet. Die Wechselpole
erhält man mittels zweier gezahnter Teile 39 und 40 aus Weicheisen oder aus Legierungen
auf Eisen-Kobalt-Basis, deren Sättigungsinduktion hoch ist. Die Polstücke werden
jeweils an die zylinderförmigen Flächen des Magnets 38 angesetzt und um eine halbe
Zahnteilung versetzt. Sie bilden, wie der Schnitt nach Fig. 18 zeigt, nur sehr wenig
vorspringende Polschuhe, so daß das Trägheitsmoment des Läufers auf ein Minimum
reduziert ist, was wiederum das Anlaufen des Motors erleichtert.
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Versuche haben gezeigt, daß das Vorspringen der gesättigten magnetisierten
Pole ohne Nachteil verringert werden kann, wenn die umkehrbare Permeabilität des
den Magnet 38 bildenden Stoffes nahe derjenigen der Luft ist. Das Querfeld hat in
diesem Falle keine schädliche Wirkung auf die remanente Magnetisierung, und man
kann ziemlich große Luftspalte vorsehen. Man kann beispielsweise dem Läufer nach
Fig. 18 einen Durchmesser von 12 mm geben oder weniger und radiale Luftspalte e
von über 0,8 mm vorsehen. Der Gang des Motors ist sogar mit radialen Luftspalten
von über 1,2 mm möglich.
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In Fig. 19 besteht der Läufer aus zwei Zahnteilen 41 und 42 von gleicher
Form. Die Teile sind durch einen kleinen Luftspalt d getrennt. Die Magnetisierung
der Dauermagnetzahnscheibe 41 ist von der Peripherie radial zum Mittelpunkt gerichtet.
In den Zähnen des Teiles 42 sind die Induktionslinien ebenfalls radial, jedoch umgekehrt
gerichtet. Die Herstellung des Läufers nach Fig. 19 erfolgt in wirtschaftlichster
Weise durch Ausschneiden von dünnen Blechen, die hohe Koerzitivkraft aufweisen.
Das Mittelstück 43 kann aus abgestochenem Weichstahl bestehen.
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In den Fig. 18 und 19 sind beispielsweise Läufer veranschaulicht,
die fünf Polpaare aufweisen; jedoch läßt sich diese Zahl vergrößern oder vermindern.
Insbesondere kann der Läufer aus einer sehr leichten zweipoligen Scheibe aus hochkoerzitivem
Material geringer Dichte (von einem Durchmesser von etwa 1 cm und einer Länge von
1,5 bis 10 mm) bestehen, die sich in einem Ständer mit sich über mehr als 120° erstreckenden
Polschuhen bewegt. Die Ausführungsformen nach Fig. 18 und 19 ermöglichen eine große
Zahl von gleichzeitig sich unter einem Statorpol vorbeibewegenden Läuferpolen.
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Die Fig. 20 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der mehrpoligen
Läufer nach Fig. 18 und 19. Es ist mittels mehrerer sektorförmiger, prismatischer
Magnete 103 und 104, die in einem kleinen Gehäuse 105 aus nicht magnetisierbarem
Material geringer Dichte (.Aluminium oder Preßstoff) untergebracht sind,- eine relativ
hohe Energie gespeichert. Die Teilmagnete -kann man beispielsweise erhalten, indem
man unter starkem Druck ein Pulver aus Oxyden nach bekanntem Verfahren formt. Es
lassen sich so in einer R@htgrig- sehr starke Magnetisierungen erreichen; doch erfordert
die endgültige Magnetisierüng äußerst hohe Induktionsfelder. Dieser Vorgang, der
unüberwindliche Schwierigkeiten bietet, wenn zahlreiche abwechselnd gerichtete Pole
auf einer klein bemessenen -Scheibe erzeugt werden sollen, wird dadurch erleichtert,
daß man eine solche Scheibe in Einzelmagnete 103 und 104 entsprechend den Schaubildern-
unterteilt, magnetisiert und die Sektoren mittels eines geeigneten Klebstoffes verklebt.
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Die Drehzahl von Motoren mit den vorstehend erläuterten Schaltungsanordnungen
läßt sich nicht ohne weiteres auf einen gewünschten Wert einstellen. Eine vorbestimmte
Drehzahl kann jedoch erreicht werden mit Hilfe eines Taktgebers, der mechanische
Schwingungen ausführt und in magnetischer Wechselwirkung mit dem Rotor des Motors
steht. Bei synchronem Lauf des Motors wird dann der Taktgeber durch die magnetische
Wechselwirkung in Schwingungen gehalten.
Fig. 21 zeigt eine solche
Anordnung.
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Die Stromquelle 18 unterhält die stetige Drehung eines kollektorlosen
Motors nach der Erfindung mittels des Magnets 30, der Spulen BM und BC und des Transistors
TR.
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Der Taktgeber 31 bewirkt, daß sich die Drehzahl des Motorankers 30
der Schwingungszahl des Taktgebers anpaßt. Konstruktionsvereinfachungen werden dadurch
erzielt, daß der Rotor des Motors aus einem Magnet besteht, der magnetische Kräfte
auf den Taktgeber 31 ausübt.
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Die Vorrichtung weist folgende Konstruktionseinzelheiten auf Der aus
einem Werkstoff von hoher Koerzitivkraft bestehende Magnet 30 enthält mehrere am
Umfang angeordnete Pole N, S, N, S, N, S usw. Eine große Polzahl ermöglicht naturgemäß
die Verwendung eines Taktgebers 31 mit- ziemlich hoher Frequenz.
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Der Taktgeber 31 ist vorzugsweise mit einem Dauermagnet 32 aus einem
Material mit hohem Koerzitivfeld und geringen Eisenverlusten versehen. Auf den Magnet
können Temperaturkorrekturvorrichtungen einwirken.
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Mit einem derartigen Motor mit durch einen Taktgeber gesteuerter Drehzahl
können Zeiger 33 eines Uhrwerks CCH mit Untersetzungsgetriebe betätigt werden. Die
Zeiger 33 können durch ein Ziffernschauwerk ersetzt werden. Das Getriebe CCH kann
Stromkreise durch Schalter oder auch durch induktive Relais und Verstärker steuern.
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Zur Spannungsregelung der Stromquelle 18 sind ein Potentiometer mit
Widerständen 34 und 35 und ein nichtlinearer Widerstand 36 mit negativem Spannungskoeffizienten
vorgesehen. Im Falle der Erhöhung der Wechselspannung 14 nimmt der Widerstand 36
ab, und die Spannungsänderungen in 18 werden abgeschwächt.
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Die Einrichtung nach Fig. 21 arbeitet wie folgt: Wenn dem Läufer 30
in geeigneter Richtung ein kleiner Impuls erteilt wird, wirkt die Spule BC so, daß
sie intermittierend den Transistor TR entsperrt. Die Spule BM empfängt Stromimpulse,
wenn die in BC induzierte EMK ihren Höchstwert erreicht und eine bestimmte Polarität
hat. Die Einstellung der Motorspule BM gegenüber der Steuerspule BC und die Schaltweise
von BM sind so zu wählen, daß die Stromstöße ic stets Stromstöße in Übereinstimmung
mit der Drehbewegung bewirken und diese Bewegung unterhalten. Die kreisförmig angeordneten
Pole N, S, N, S .. . üben beim Vorbeigehen an n eine periodische Kraft aus, welche
die Lamelle 31 zum Schwingen bringt. Wenn der Polabstand von 30 in einer der Eigenfrequenz
der Schwinglamelle 31 entsprechenden Zeit durchlaufen wird, nimmt die Lamelle 31
eine relativ große Amplitude an. Es erfolgt dann eine starke Energieabsorption,
und die Geschwindigkeit von 30 stabilisiert sich (wie bei den bekannten Gangreglern
von Elsass, Hipp, Bouasse und Sarda, Frainier usw.).
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Die Fig. 22 und 23 zeigen eine weitere Ausführungsform eines auf dem
vorstehend erörterten Prinzip beruhenden Motors.
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Der Läufer des Motors wird durch zwei Scheiben 45 und 46 mit relativ
großem Durchmesser gebildet (beispielsweise mit einem Durchmesser von 3 bis 5 cm).
In diese Scheiben, die aus einem nicht magnetisierbaren Material von geringer Dichte
(Aluminium, Bakelite usw.) bestehen, sind zylindrische Magnete aus Stoffen mit großer
Koerzitivkraft eingefügt. Diese Magnete 47 und 48 sind in der Fig. 24 getrennt dargestellt.
Sie bilden in dem Läufer des Motors Pole. Die Scheiben mit dem Magnet sind übereinander
angeordnet, jedoch haben die einander gegenüberliegenden Magnetpole solche Polaritäten,
daß sich in dem leeren Raum zwischen den Scheiben 45 und 46 starke Magnetfelder
bilden. In diesem Raum sind flache Spulen BM, BM', BC, BS angeordnet.
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Der Läufer ruht auf einer vertikalen Achse 49, die, sich in Lagern
50 und 51 dreht. Die Drehzahl wird durch die beiden Schwinglamellen 52, 53 erzwungen.
Diese Lamellen tragen Magnete 54 und 55, die so angeordnet sind, daß das Vorüberwandern
der in die Scheibe 45 eingelassenen Magnete periodische Schubkräfte entstehen läßt.
Die Eigenperioden der Lamellen können z. B. durch Verstellmuttern 56 und 57 eingestellt
werden. Die Wahl der Eigenfrequenz der Schwinglamellen des Taktgebers ermöglicht
die Bestimmung der Zeit, die zwischen den Durchtritten zweiter Magnete des Läufers
45 mit gleicher Polarität verstreicht.
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Die Achse 49 kann ein Uhrwerk mittels einer endlosen Schraube 58 und
einem Rad 59 betätigen.
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Gibt man dem Läufer einen kleinen Impuls, so verhält sich die Spule
BC wie ein Wechselstromerzeuger, der einen Impuls erzeugt, wodurch im gegebenen
Zeitpunkt in dem Transistor kurze Stromimpulse freigegeben werden. Diese durchfließen
die Antriebsspulen BM und BM'. Der Läufer beschleunigt seine Drehbewegung, und bei
einer bestimmten Drehzahl des Läufers erreichen die Lamellen 52 und 53 immer größere
Amplituden und kommen schließlich in Resonanz. Dementsprechend stabilisiert sich
die Drehzahl des Läufers unter dem Einfluß der Magnete 54 und 55. Wenn der Läufer
2 p Wechselpole enthält und die Eigenfrequenz der Schwinglamellen = f ist, dreht
sich der Läufer mit einer Winkelgeschwindigkeit von
Durch Vergrößerung von p kann man die Drehzahl des Motors verringern. Es lassen
sich beispielsweise folgende Werte annehmen: p = 6 und f = 50 Per./sec.
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Die Drehzahl des Motors ist dann = 500 Umdr./min und die Frequenz
der von den beweglichen Magneten induzierten Wechseldes Läufers in den EMK beträgt
50 Hz.
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Eine oder mehrere Spulen BS können an ein Stromgeversorgungsnetz mit
einer Frequenz von 50 H schaltet werden. In diesem Fall synchronisieren an die Spulen
BS Stelle eines mechanischen den Läufer, der dann wie derjenige eines gewöhnlichen
Synchronmotors arbeitet.
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Der Läufer könnte auch mittels mehrpoliger Magnete nach Fig. 24b oder
24c gebildet sein. Die Magnete erhält man beispielsweise aus einem indem sie aus
einem Material mit großer Koerzitivlcraft, das eine zur Achse x-y des Läufers parallele
Richtung leichter Magnetisierung aufweist, unter Druck formt. Die endgültige Magnetisierung
erfolgt in den Richtungen der Pfeile parallel zu x-y, aber in wechselnden Richtungen,
um in der Umlaufrichtung aufeinanderfolgende Pole N und S zu bilden.
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Fig. 25 und 26 zeigen eine äquivalente Konstruktion des Motorteils.
Der Läufer mit Vertikalachse O enthält einen einzigen mehrpoligen Magnet A. Die
festen Spulen BC und BM sind zwischen diesem Magnet und einer Eisenscheibe
60 angeordnet, die einen für die
vom Rotor A erzeugten Flußlinien
leicht durchlässigen Rückweg bildet.
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Die Drehzahl eines Motors nach Fig. 25 kann durch einen Drehpendeltaktgeber
gesteuert werden. Es ist am oberen Ende des Achszapfens O ein Magnet 61 angebracht,
über welchem sich ein Regler befindet, der durch eine Pendelmasse 62 mit kreisförmiger
Bewegung gebildet wird.
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Die Pendelmasse ist am Ende eines biegsamen Stiftes 63 an einem Lager
65 befestigt. Die Biegsamkeit des Stiftes 63 kann erhöht werden, indem man seinen
oberen Teil in Form einer Schraubenfeder mit voneinander abstehenden Windungen aufwickelt.
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In einer Vertiefung der Masse 62 ist ein Magnet 64 angeordnet, der
sich in geringer Entfernung von dem Magnet 61 befindet.
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Die magnetische Kupplung zwischen dem Läufer und der Pendelmasse bewirkt
die Synchronisierung der Drehzahl des Läufers A.
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Eine andere Synchronisierungseinrichtung für einen Gleichstrommotor
nach der Erfindung zeigen die Fig. 27 bis 30. Die Drehzahl des Motors wird mittels
einer Unruh 25 konstant gehalten. Mit dem Motor werden die Uhrzeit anzeigenden Zeiger
mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.
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Der Motor besteht aus einem zweipoligen Stator, der aus Paketen von
dünnen ausgestanzten Blechen 26 und 27 gebildet ist. Der Rotor 28 mit der Achse
O enthält ein oder mehrere Magnetpolpaare. Er ist beispielsweise mit fünf Paaren
am Umfang angeordneter, gesättigter Pole N, S, N, S versehen, deren Magnetisierung
von Teilen aus Material mit großer Koerzitivkraft herrührt.
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Die Polschuhe des Stators können in geeigneter Weise unterteilt und
ihre Form und Anordnung derart sein, daß bei bestimmter Kraftlinienrichtung die
festen Pole sich gegenüber den entgegengesetzt magnetisierten beweglichen Polen
befinden. Man erkennt, daß dieses Resultat beispielsweise mit den Polformen nach
Fig. 27 erreicht wird, wenn der Magnetfluß in Richtung der Pfeile 29 gelenkt wird.
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Auf dem Stator sitzen koaxiale Spulen BC, BM, BS. Der magnetische
Kreis (Stator) besteht aus zwei voneinander lösbaren Teilen und bildet einen Kern
N l, N2 von relativ großer Länge, so daß auf ihm eine große Zahl von Windungen kleinen
Umfangs untergebracht werden kann.
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Die Achse O des Läufers trägt ein mit dem Rad 81 kämmendes Ritzel
80. Die Achse dieses Rades kann einen Sekundenzeiger tragen. Ein (nicht gezeichnetes)
gewöhnliches Triebwerk betätigt die drei übrigen Zeiger eines Uhrwerks.
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Die Drehzahlsteuerung des Rotors 28 erfolgt wiederum durch einen schwingfähigen
Taktgeber, und zwar durch eine Unruh 25, die aus einem auf der Achse 82 angebrachten
zweipoligen Magnet NS mit hoher Koerzitivkraft besteht. Der Masse 25 sind eine oder
zwei Federn 83 und 84 zugeordnet, z. B. in umgekehrter Richtung gewickelte zylindrische
Federn. Die Richtung der Achse 82 ist senkrecht zur Achse O des Motors. Der Magnet
25 liegt dem Rotor 28 nahe, und seine Ruhestellung ist so gewählt, daß eine magnetische
Kopplung zwischen benachbarten Polen eintritt. Wenn beispielsweise die Unruh stilliegt,
befindet sich der Pol N etwas rechts von einem Pol des Rotors 28. Wenn der Motor
sich stetig dreht, erhält die Unruh eine periodische Antriebskraft F, die aus den
Anziehungen und Abstoßungen herrührt, welche nacheinander durch die am Umfang angeordneten
Pole von 28 ausgeübt werden. Die Synchronisierung setzt ein, sobald in Resonanznähe
die Unruh 25 mit großer Amplitude zu schwingen anfängt.
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Der elektrische Stromkreis entspricht der Schaltung nach Fig. 29,
in welcher die Gleichstromquelle mit S und der Transistor mit TR bezeichnet ist.
Ein Ende der den Transistor steuernden Spule BC ist mit der Basiselektrode b des
Transistors verbunden. Das andere Ende liegt am Pluspol der Stromquelle S. Die Spule
BM liegt zwischen Minuspol der Stromquelle und Kollektorelektrode c des Transistors.
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Die Emitterelektrode e des Transistors ist an die Plusklemme der Stromquelle
gelegt. Die Schaltung ist derart, daß, wenn der Induktionsfluß in dein Statorkern
N1 N2 in einer bestimmten Richtung wächst, in BC eine elektromotorische Kraft entwickelt
wird, welche das Fließen eines von der Stromquelle S gelieferten kurzen Stromes
ermöglicht. Dieser Strom muß die Wicklung BM so durchfließen, daß die zwischen den
festen und beweglichen Polen des Motors entwickelte elektromotorische Kraft die
Drehung begünstigt. In der Praxis kann man die Spule BM in beliebiger Richtung anschließen
und die Schaltung umkehren, wenn eine Drehbewegung nicht erzielt wurde.
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Die Wicklung BS kann verschiedenen Zwecken dienen; z. B. kann sie
die Erzeugung einer Wechselspannung ermöglichen, deren Frequenz der durch den Taktgeber
25, 83 erzwungenen konstanten Winkelgeschwindigkeit des Läufers 28 entspricht. In
diesem Fall verhält sich die Vorrichtung wie eine elektronisch gesteuerte Hauptuhr.
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Eine magnetisierte Schraube 87 ermöglicht, das Uhrwerk in bezug auf
Vor- oder Nachgehen zu korrigieren. Zu diesem Zweck kann der Schraubenkopf in einer
Öffnung oben im Ziffernblatt in Erscheinung treten, wie aus Fig. 30 zu ersehen ist.
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Eine andere Schraube 86 (Fig. 28), die mit einem Teil aus einer Legierung
mit veränderlichem Curie-Punkt versehen ist, kann auf die Frequenz der Unruh 25
und demzufolge auf die Drehzahl des Läufers 28 einen Einfluß nach Maßgabe der Temperatur
ausüben. Dadurch läßt sich der thermische Ausgleich des Uhrwerks verbessern.
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Fig. 31 zeigt eine andere Ausführungsform der Einrichtung nach Fig.
22 und 23. Die senkrechte Welle ist mit einem einzigen mehrpoligen Magnet A versehen,
und die festen Spulen BC und BM sind oberhalb dieses Magnets und unterhalb
einer horizontalen Platte 68 aus ferromagnetischem Material mit großer Permeabilität
angeordnet.
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Die magnetischen Anziehungskräfte zwischen dem Magnet A und dem Teil
68 werden so gewählt, daß das Läufergewicht nahezu ausgeglichen wird und der Druck
auf das Spurlager 66 oder auf das Lager 67 verringert wird.
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Fig. 32 veranschaulicht einen Motor mit zwei koaxialen Spulen
BM und FC, die entsprechend dem Schema nach Fig. 29 verwendet werden. Eine
Unruh 88 für den Taktgeber ist im Gehäuse des Motors angebracht.