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Befestigung eines ringförmigen Magneten auf der Läuferwelle eines
selbstanlaufenden Synchronmotors Die Erfindung bezieht sich auf kleine selbstanlaufende
Synchronmotoren, die mit elektrischen Strömen industrieüblicher Frequenzen bis zu
1000 Perioden/Sek. gespeist werden können, und sie strebt Verbesserungen am Aufbau
von Motoren an, deren Läufer aus einem in einem Ständerkäfig umlaufenden Dauermagnet
besteht, der vorteilhaft mit einem Gerät zusammengeschaltet ist, das den Läufer
daran hindert, im entgegengesetzten Sinne des Drehfeldes umzulaufen. Die erfindungsgemäßen
Verbesserungen sollen unter anderem namentlich folgende Vorteile bieten: Wirksame
Abdichtung und Abschirmung im Gehäuse; bequeme Auswechselung der Erregerspulen;
augenblickliches Anlaufen aus allen Stellungen des Läufers mit einem Drehmoment,
das demjenigen nahekommt, bei dem der Läufer außer Tritt fällt; schwingungsfreier
Umlauf in einem einzigen Sinne bei Nutzspannungen, die in bezug auf die normale
Spannung um ± 20°/o schwanken; Zulässigkeit permanenter Überbelastungen in der Größenordnung
von 500/0; Möglichkeit eines Dauerbetriebes bei einer Umgebungstemperatur von 100°
C ohne irgendwelche Beschädigung und ohne größeren Leistungsabfall; geräuschloser
Gang; jahrelang keine Wartung erforderlich; einfacher Aufbau mit der Möglichkeit,
den Drehsinn der Abtriebswelle des Motors umzukehren, ohne den Motor selbst umbauen
zu brauchen; sehr niedriger Herstellungspreis.
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Obige Ergebnisse lassen sich nicht nur durch passende Auswahl der
Baustoffe des Motors, sondern auch vor allem durch eine besonders geartete Auslegung
und Montage des Läufers und durch die Verwendung einer Einrichtung erreichen, die
den Umlauf des Läufers nur in einem einzigen Drehsinne zuläßt.
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Die physikalischen Kennlinien der Barium- und Kobaltferrite sind bekanntlich
die der keramischen Werkstoffe, weshalb das zur Herstellung der Ringmagnete benutzte
Verfahren (Sintern) zur Folge hat, daß diese Ringe nur mit sehr weiten Herstellungstoleranzen
(in der Größenordnung eines halben Millimeters bei einem Läuferdurchmesser von der
Größenordnung von 25 Millimetern) gefertigt werden können. Das Problem, vor das
sich der Konstrukteur gestellt sieht, besteht also darin, für Synchronmotoren bei
geringem Kostenaufwand ringförmige Magneten zu verwenden, deren Gestalt und Abmessungen
bei der Herstellung nicht sehr genau ausfallen und deren Werkstoff (Barium- oder
Kobaltferrit) brüchig und sehr hart ist. Dieses Problem ist durch die Erfindung
gelöst worden.
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Gemäß dieser Verbesserung sind an jeder Flachseite des ringförmigen
Magneten in einem gegenseitigen Winkelabstand von 120° drei Schrägflächen vorgesehen,
die an einer kreisförmigen Abkantung vorstehen und den drei Schrägflächen der anderen
Flachseite gegenüberliegen, und der Winkel, den jede Schrägfläche mit der radialen
Ebene bildet, ist derart gewählt, daß die Durchmesserdifferenzen des ringförmigen
Magneten im wesentlichen die Dickenschwankungen ausgleichen, wobei der Magnet, dessen
Durchmesser auf der zylindrischen Außenfläche durch Nachschleifen auf die genaue
Abmessung gebracht worden ist, auf die Läuferwelle mittels zweier Ringstücke aufgebracht
ist, die auf dieser Läuferwelle verkeilt sind und von denen jedes über Haltevorrichtungen
mit den drei Schrägflächen einer Flachseite des Magneten in punktförmiger Berührung
steht.
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Das Nachschleifen der zylindrischen Außenfläche des ringförmigen Magneten
für den Läufer ist die einzige Nachbearbeitung, die an diesem Werkstück vorzunehmen
ist, wodurch sich die Herstellung des Läufers sehr verbilligt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch bemerkenswert,
daß das eine der beiden Ringstücke für den Einbau des ringförmigen Magneten einen
mit der Haltevorrichtung starren, auf die Läuferwelle aufgezogenen Teil bildet,
während das andere Ringstück als Haltevorrichtung eine elastische Lochscheibe trägt.
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Zur Unterbringung der Einrichtung, die den Umlauf des Läufers in der
Gegenrichtung verhindert, dient vorteilhaft ein schalenförmiges Läuferteil. Die
Einrichtung
selbst besteht erfindungsgemäß aus einer quer zur Motorwelle angeordneten, nicht
umlaufenden Platte, die an ihrem Umfang kurvenförmige Ausnehmungen aufweist, an
denen Rollen angeordnet sind, die mit der zylindrischen Innenfläche des Schalenhohlraumes
zusammenwirken und die unter der Wirkung von Federn stehen, die das Bestreben haben,
die Rollen in den verengten Bereich der Ausnehmungen zurückzudrücken.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die vorgenannte Einrichtung
noch durch folgende Einzelheiten und ihre Kombinationen bemerkenswert: Von den kurvenförmigen
Ausnehmungen der Platte (mit den entsprechenden Rollen) sind drei an der Zahl vorgesehen,
die derart um 120° gegeneinander versetzt und angeordnet sind, daß durch eine geeignete
Verteilung der Blockierkräfte jegliche Rückwirkung auf die zentrale Achse unterbleibt
und daß die Übertragung von Schwingungen, deren Frequenz einem Vielfachen der Polzahl
entsprechen würde, vermieden wird.
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Die Zonen der kurvenförmigen Ausnehmungen, an denen die Rollen im
allgemeinen anliegen, befinden sich auf einem Kreis, dessen Halbmesser im wesentlichen
dem Durchmesser der Rollen gleich ist, damit jeder Rolle eine größtmögliche Auflagefläche
bei kleinstmöglicher Klemmbeanspruchung zur Verfügung steht.
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Die Rollen sind ringförmig ausgehöhlt und derart ausgebildet, daß
sie eine gewisse Elastizität aufweisen, damit im falschen Drehsinn beim Auflaufen
der Rollen gegen die Anlageflächen eine Verformung derselben und eine Energierückgabe
bei Anlauf des Läufers im richtigen Drehsinn eintreten kann.
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Alle übrigen Bauteile der Sperreinrichtung bestehen aus einem Metall,
dessen mechanische Festigkeit mehr als 200 kg/mm2 beträgt.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachstehender
Beschreibung des in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels für einen
erfindungsgemäß verbesserten Motor. In der Zeichnung stellen dar Fig. 1 eine in
großem Maßstab gehaltene Schnittansicht des ganzen Motors, Fig. 2 die schaubildliche
Ansicht eines ringförmigen Magneten mit der eingezeichneten Verteilung der Pole
an der zylindrischen Außenfläche des Magneten, Fig. 3 eine Draufsicht des ringförmigen
Magneten für den Motor gemäß Fig. 1, Fig.4 eine Schnittansicht im wesentlichen entsprechend
der Linie V I-VI in Fig. 3, Fig. 5 eine in großem Maßstab gehaltene Draufsicht der
den Rücklauf verhindernden Einrichtung, Fig. 6 und 7 die Deckscheibe der in Fig.
5 dargestellten Einrichtung im kleineren Maßstab und im axialen Schnitt entsprechend
der Linie VIII-VIII in Fig. 7.
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Der in der Zeichnung dargestellte Synchronmotor hat ein zerlegbares
Gehäuse 1, dessen aus ferromagnetischem Material bestehenden Teile 1 a und 1 b ineinandergeschoben
sind, um eine wirksame Abschirmung zu bieten. Die Böden der beiden Gehäuseteile
1 a und 1 b tragen die Lager 2, in die die Lagerschalen 3 eingesetzt sind. In diesen
Lagerschalen läuft die Welle 102 des Läufers, der noch näher beschrieben werden
soll.
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An der flachen Innenseite jeder Gehäusehälfte ist die flache Rückseite
einer Ständerhälfte befestigt. Jede Ständerhälfte besteht aus einem Stern 6 mit
fünf Paar Armen. Der aus ferromagnetischem Material bestehende Teil jeder Ständerhälfte
ist einem Phasenring 7 aus massivem Kupfer zugeordnet. Im Motor sind zwei Sätze
von den soeben beschriebenen Ständerhälften 6 und 7 einander gegenüber angeordnet
und durch die Polarme miteinander verkettet. Der Motor hat auf diese Weise zehn
Paar Polarme, die von einer Erregerspule 8 umgeben sind, deren Verbindungsdrähte
8a in der Nähe der Verbindung der beiden Gehäusehälften 1 a und 1 b austreten.
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Der Läufer hat (Fig. 2) einen aus Kobalt- oder Bariumferrit hergestellten
ringförmigen Magneten 9 mit einer remanenten Induktion von 2000 Gauß oder mehr,
einem Koerzitivfeld von 1600 Oersted oder mehr und einer Differentialpermeabilität,
die etwa = 2 ist. Der hohe Wert der Koerzitivkraft des Werkstoffes, aus dem der
ringförmige Magnet besteht, erlaubt es, an der zylindrischen Außenfläche des Magneten
kleine magnetische Zonen abwechselnder Polarität zu erzielen, die durch die Form
des zum Magnetisieren des Magneten benutzten Eisenkreises genau begrenzt sind, und
der Magnet kann in den Motor eingebaut werden, ohne daß es erforderlich ist, ihn
mit metallischen Polschuhen zu versehen. Ein derartiger Magnet kann (namentlich
während der Montage) gehandhabt werden, ohne daß eine Entmagnetisierung zu befürchten
wäre.
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Ein derartiger Magnet hat ferner seinen optimalen Arbeitspunkt (BH"",),
wenn der Luftspalt zwischen Läufer und Ständer verhältnismäßig groß (0,5 mm) ist,
was die serienweise Herstellung und Montage des Motors erleichtert und in einer
Senkung des Herstellungspreises und einer Steigerung der Leistung in bezug auf das
(geringe) Gewicht des Motors zum Ausdruck kommt.
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Bekanntlich sind die physikalischen Kennlinien der Ferrite der verwendeten
Art dieselben wie die der keramischen Werkstoffe im allgemeinen. Das angewendete
Verfahren bei der Herstellung der ringförmigen Magneten (Sinterung von Pulver) erlaubt
es nur, diese Magneten mit sehr weiten Herstellungstoleranzen in der Größenordnung
von 0,5 mm aus dem Sinterofen herauszubringen.
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Um nun in eine sehr genau bemessene mechanische Motorkonstruktion
einen Magneten einsetzen zu können, dessen Formen und Abmessungen ungenau definiert
sind und dessen Werkstoff zugleich hart und spröde ist, wird in folgender Weise
verfahren: Der Magnet, der roh aus dem Sinterofen in Gestalt eines Ringes 9 von
im wesentlichen rechteckigen Querschnitt kommt, hat (vgl. namentlich die Fig. 3
und 4) auf jeder Flachseite nach innen zu eine Abkantung 10, die zu der radialen
Ebene in einem Winkel von etwa 30° geneigt ist. An jeder dieser Abkantungen befinden
sich in einem gegenseitigen Winkelabstand von 120° drei vorspringende Schrägflächen
11, die je um etwa 40° zu der radialen Ebene geneigt sind. Diese drei Schrägflächen
11, die auf jeder Flachseite des Ringes vorgesehen sind, werden später beim Nachschleifen
der zylindrischen Außenfläche des Ringes 9, zum Einbau des Ringes auf der Welle
102 und zum Zentrieren der erwähnten zylindrischen Außenfläche in bezug auf diese
Welle benutzt.
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Der Sintervorgang verursacht erhebliche Schrumpfungen, die zwischen
18 und 22% schwanken. Diese Schrumpfungen sind in der Richtung des Verpressungsdruckes
des Ferritpulvers und in der Querrichtung zum Verpressungsdruck (während des Formvorganges)
durchaus verschieden. Die Schwankungen in den Abmessungen der Werkstücke sind vor
allem auf die Schrumpfungsdifferenzen zurückzuführen, die
sich aus
den Unterschieden in der Füllung der Preßform ergeben. Die Formschwankungen der
Werkstücke (Ellipsoide, Kegelstumpf usw.) sind auf ungleichmäßige Backtemperaturen
in den Werkstücken zurückzuführen.
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Infolgedessen sind die Schwankungen in den Abmessungen im Sinne des
Preßdruckes und in der Querrichtung zu diesem Preßdruck der Schrumpfung verhältnisgleich.
Der Neigungswinkel der drei an jeder Flachseite des ringförmigen Magneten vorgesehenen
Schrägflächen ist derart gewählt worden, da(3 die Durchmesserdifferenzen die Dickenschwankungen
ausgleichen, derart, daß zwei Ebenen, die je durch die drei Berührungspunkte zwischen
drei Schrägflächen und einem Ringteil genauer Abmessungen gehen, in Bezug aufeinander
in einem Abstand verbleiben, der von einem Magneten zum anderen nur wenig schwankt,
wenn auch die Abmessungen der Magneten erheblich schwanken.
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Diese Eigentümlichkeit wird für das Nachschleifen der zylindrischen
Außenfläche der Magneten ausgenutzt.
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Dieses Nachschleifen oder Rundschleifen erfolgt serienweise auf einem
Montageblock mit einer abgesetzten Achse, die mit zwei Zentrierkegeln versehen ist,
und eine federnde Spannvorrichtung aufweist, die das Bestreben hat, den einen Zentrierkegel
an jenen Zentrierkegel heranzuschieben, der sich an der Schulter der Achse abstützt.
Auf der Achse sind kreisrunde Zwischenstege verschiebbar, deren Umfang eine Wulst
mit kreisförmigem Querschnitt aufweist. Die Magneten werden auf den Montageblock
derart aufgeschoben, daß jeder einzelne Magnet zwischen zwei Zwischenstegen oder
Abstandshaltern eingespannt ist, die sich mit ihrer Randwulst an den drei an jeder
Abkantung 10 vorspringenden Schrägflächen 11 abstützen. Diese Anordnung gewährleistet
eine ausgezeichnete Zentrierung und gestattet das Rundschleifen der zylindrischen
Außenfläche 12 der auf den Montageblock aufgesetzten ringförmigen Magneten.
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Das Nachschleifen der Magneten ist auf diese Weise auf ein Minimum
herabgesetzt und gewährleistet dabei eine gute Zentrierung.
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Der auf diese Weise hergestellte ringförmige Magnet, dessen zylindrische
Außenfläche auf die genaue Abmessung gebracht worden ist, wird auf die Welle 102
des Motors in folgender Weise aufgesetzt: Der Magnet 9 wird einerseits zwischen
eine starre Stahlschale 13, die an drei Punkten ihres Umfanges mit den drei an der
einen Flachseite des Magneten liegenden Schrägflächen 11 in Berührung gelangt, und
andererseits eine elastische Lochscheibe 14 eingespannt, die an drei Punkten ihres
Umfanges mit den drei an der anderen Flachseite des Magneten liegenden Schrägflächen
11 in Berührung gelangt.
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Die Schale 13 ist einteilig mit einem hohlen Fortsatz 15 hergestellt,
der auf die Welle 102 aufgezogen ist, während die Lochscheibe 14 an einem Ring 16
aus einer harten Legierung befestigt ist, wobei die Bohrung des Ringes bei der Montage
den rohrförmigen Fortsatz 15 auf die Welle spannt.
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Die Montage erfolgt mit Hilfe eines Montagewerkzeuges mit zylindrischer
Bohrung, die dem Durchmesser des rundgeschliffenen Ringmagneten entspricht, so daß
sie den Magneten zentriert. In diesem Werkzeug setzt man der Reihe nach ein: die
Welle 102, den Ring 16 mit der Lochscheibe 14, den ringförmigen Magneten 9, die
Schale 13 mit ihrem rohrförmigen Fortsatz 15 (der auf der Welle 102 gleitend geführt
ist) und die in die Schale 13 eingesetzte, den Rücklauf verhindernde Einrichtung,
auf die noch näher zurückgekommen werden soll.
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Der obere Teil des Werkzeuges kommt beim axialen Einspannen auf der
den Rücklauf verhindernden Einrichtung zur Auflage und schiebt den rohrförmigen
Fortsatz 15 der Schale 13 in die Bohrung des auf einem Anschlag des Werkzeuges abgestützten
Ringes 16 ein. Die Lochscheibe 14 verformt sich bei der Berührung mit dem Magneten
und hält diesen gegen die Schale 13 eingespannt.
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Die Toleranzen der Welle 102, des rohrförmigen Fortsatzes 15 der Schale
13 und die des Ringes 16 sind derart bemessen, daß der axiale Einspannvorgang das
Festspannen des Fortsatzes 15 auf der Welle 102 bewirkt.
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Der Montagevorgang bewirkt die feste Verbindung zwischen der Welle
102, der Schale 13, des Magneten 9, der Lochscheibe 14 und des Ringes 16.
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Der Abstand zwischen dem oberen Teil der den Rücklauf verhindernden
Einrichtung und dem unteren Ende des Ringes 16 ist durch das Montagewerkzeug bestimmt
und sehr genau. Die Lochscheibe 14 gleicht durch ihre Verformung die Dickenschwankungen
des Magneten 9 aus.
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Ferner sind die Stützpunkte der Schale 13 und der Lochscheibe 14 am
Magneten 9 dieselben, die zum Festhalten des Magneten bei seinem Rundschleifen gedient
haben. Der Magnet hat somit das Bestreben, sich beim Einbau des Läufers auf die
Welle zu zentrieren. Die durch die Bohrung des Montagewerkzeuges gesicherte Führung
an der zylindrischen Außenfläche des Ringes begünstigt die Selbstzentrierung des
Magneten.
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Der Drehsinn des Motors ist durch das Drehfeld nicht sehr genau definiert.
Aus diesem Grunde ist eine den Rücklauf verhindernde Einrichtung vorgesehen, die
das Anlaufen des Motors im entgegengesetzten Sinne des Drehfeldes unterbindet. Diese
Einrichtung ist, wie bereits angegeben, in der Höhlung L der Schale 13 untergebracht
und besitzt (vgl. Fig. 5 bis 7) eine Platte 101 von kreisförmiger Grundform, die
auf der Welle 102 des Läufers zentriert ist, wobei diese Welle in der entsprechenden
Bohrung der Platte ungehindert umlaufen kann.
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Am Umfang der Platte 101 sind in einem gegenseitigen Abstand
von 120° drei identische Ausschnitte 103 vorgesehen, auf deren kurvenförmigen Ausnehmungen
103a sich jeweils eine Rolle 104 abwälzen kann, die mit der zylindrischen Innenfläche
der Schalenhöhlung L zusammenwirkt.
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Das eine Ende jedes Ausschnittes läuft in eine Ausnehmung 105 aus,
die zur Aufnahme einer V-förmigen Feder 106 dient. Diese Feder wirkt auf die entsprechende
Ralle 104 derart ein, daß die letztere gezwungen ist, an der Ausnehmung 103 a anzuliegen
und mit der erwähnten zylindrischen Innenfläche der Schalenhöhlung L in Dauerberührung
zu treten.
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Infolge der Winkelverteilung der Ausschnitte 103 und der Rollen 104
und infolge der Zahl der Rollen wird eine geeignete Verteilung der Kräfte und die
Ausschaltung von Rückwirkungen auf die Welle 102 erreicht, da die zentrale Bohrung
der Platte 101 in bezug auf die Welle ein gewisses Spiel hat. Mit drei Rollen wird
ferner weitgehend die Entstehung von Schwingungen vermieden, deren Frequenz das
Mehrfache der Polzahl beträgt.
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Die Zonen 103 b der kurvenförmigen Ausnehmungen 103a, an denen die
Rollen 104 im allgemeinen anliegen, befinden sich vorteilhaft auf einem Kreis, dessen
Halbmesser dem Durchmesser der Rollen sehr
nahekommt, damit Rollen
und kurvenförmige Ausnehmungen mit einer größtmöglichen Oberfläche (bei kleinstmöglichem
Kraftaufwand) zur Anlage kommen.
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Jede einzelne Rolle 104 ist ein elastischer Ring, so daß sie sich
beim Festlegen, wenn der Läufer im falschen Drehsinne anzulaufen sucht, verformen
und, wenn der Läufer in dem richtigen Drehsinne anläuft, die während des Festlegens
aufgespeicherte Energie wieder abgeben kann.
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Zum Festlegen der Platte 101 gegen Verdrehung besitzt diese an ihrem
Umfange Einschnitte 107, mit denen Greifer 108 einer kreisförmigen Deckscheibe 109
(Fig. 6 und 7) in Eingriff gelangen. Diese Deckscheibe weist ferner drei aufgebogene
Lappen 110 auf, die sich in entsprechenden Auskerbungen des Ständers festklemmen
können.
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Sämtliche Bauteile der den Rücklauf verhindernden Einrichtung sind
aus Metall, das zweckmäßig eine Festigkeit von mehr als 200 kg/mm2 besitzt.
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Wenn die Drehung der Schale die Rollen 104 in jenem Sinne mitzunehmen
sucht, in welchem diese die Federn 106 zusammendrücken, werden die kurvenförmigen
Ausnehmungen 103 b freigegeben und die Drehung erfolgt ohne Verklemmung.
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In dein entgegengesetzten Drehsinne haben die Rollen das Bestreben,
sich zwischen die zylindrische Fläche der Schale und die Ausnehmungen zu klemmen,
wodurch die Schale in bezug auf die Platte 101 festgelegt wird.
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Beim Einbau des Läufers in den Ständer werden die Lappen 110 der Deckscheibe
in Auskerbungen eingeschoben, die an einem der Phasenringe 7 vorgesehen sind.
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Die ganze Einrichtung, die den Rücklauf verhindert, ist in der Schalenhöhlung
durch einen einfachen Ring 17 aus einer harten Legierung zurückgehalten, der auf
die Welle 102 aufgezogen ist und ein ausreichendes axiales Spiel für den Läufer
bestehen läßt.
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Das Einetzen des Ringes 17 erfolgt mit Hilfe eines Werkzeuges, das
den Abstand zwischen dem oberen Ende dieses Ringes und dem unteren Ende des Ringes
16 genau bestimmt. Diese beiden Enden bilden Schultern. die das axiale Spiel des
ganzen Läufers zwischen den beiden Lagerschalen 3 begrenzen.
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Ein mit den obigen Verbesserungen ausgestatteter Motor, der einen
Durchmesser von 50 mm, eine Dicke von 22 mm aufweist und 3,5 W bei einer Spannung
von 110V verbraucht, hat eine mechanische Nutzleistung (beim Intrittkommen)
von 60 g/cm bei 600 U/min (0,375 W).
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Er bedeutet eine fühlbare Verbesserung gegenüber ähnlichen bekannten
.Klotoren hinsichtlich der mechanischen Kraftleistung und Ausbeute.