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Elektromotor, insbesondere Kleinstmotor, mit Vorrichtung zur selbsttätigen
Drehzahlregelung Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor, insbesondere
einen Kleinstmotor, mit Vorrichtung zur selbsttätigen Drehzahlregelung durch periodische
Unterbrechung des Motorstromkreises unter Verwendung mindestens eines Fliehkraftgewichtes.
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Bei den bekannten Elektromotoren dieser Art wird bei Erreichen der
Motornenndrehzahl durch das Fliehkraftgewicht ein Schalter geöffnet, der den Stromkreis
des Motors unterbricht, so daß der Motor stromlos wird und seine Drehzahl sinkt,
wonach der Schalter wieder geschlossen wird und die Drehzahl ansteigt. Der Fliehkraftschalter
bewirkt also, daß bei höherer Drehzahl, die beispielsweise durch eine höhere Spannung
hervorgerufen werden kann, der Motor einen zeitlich unterbrochenen Strom erhält,
dessen Effektivwert etwa gleich ist dem Motorstrom bei Nenndrehzahl. Bei Gleichstrommotoren
z. B. wird also dem Motor ein zerhackter Gleichstrom zugeführt, der erfahrungsgemäß
bei einer Umdrehung der Welle etwa drei bis fünf Unterbrechungen erfährt. Wird dem
Motor eine Spannung angelegt, die eben noch ausreicht, um die geforderte Drehzahl
zu erhalten, dann ist die Ausschaltzeit ta = 0 und die Einschaltzeit te gleich der
gesamten Laufzeit des Motors und damit das Verhältnis
Steigt die Spannung an, dann wird das Verhältnis
immer kleiner, da ja te kleiner und ta größer wird. Im Prinzip wird also bei den
bekannten Elektromotoren mit selbsttätiger Drehzahlregelung durch einen Fliehkraftschalter
der Effektivwert des dem Motor zugeführten Stromes so geregelt, daß sich die gewünschte
Nenndrehzahl einstellt.
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Die bekannten, durch einen Fliehkraftschalter drehzahlgeregelten Elektromotoren
haben einen großen Nachteil, der darin besteht, daß gerade bei der erstrebten Nenndrehzahl
des Motors die Kontakte des Fliehkraftschalters sehr lose aufeinanderliegen, so
daß Schwierigkeiten hinsichtlich des Stromdurchganges durch diese Kontakte entstehen
können. Es genügen schon kleine Verschmutzungen durch staubige oder feuchte Luft
oder Oxydation, um den Übergangswiderstand an den Fliehkraftschalterkontakten zu
erhöhen und damit den Stromübergang zu erschweren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen drehzahlgeregelten
Elektromotor der oben bezeichneten Art zu schaffen, bei dem diese Schwierigkeiten
hinsichtlich der Kontakte vermieden sind. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß
der Erfindung dadurch, daß auf der Motorwelle oder auf einem von ihr angetriebenen
Teil zwei mittels je zweier Schleifbürsten in den Motorstromkreis eingeschaltete
schleifringähnliche, zur Unterbrechung des Motorstromkreises dienende Kontaktsegmente
angeordnet sind, von denen das eine gegen das andere mittels des Fliehkraftgewichtes
schwenkbar ist.
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Die Schleifbürsten liegen hierbei mit normalem, einstellbarem Kontaktdruck
an den Kontaktsegmenten an, so daß Schwierigkeiten der Kontaktgabe mit Sicherheit
vermieden sind, zumal sich die Schleifbürsten und die Kontaktsegmente infolge der
bei der Drehung auftretenden Reibung selbst reinigen. Beim Hochlaufen des Elektromotors
bis zur Nenndrehzahl sind die Kontaktsegmente so zueinander angeordnet, daß der
Motor den vollen, nicht unterbrochenen Strom erhält. Hierbei ist also das Verhältnis
Bei Erreichen der Nenndrehzahl ta wird das Fliehkraftgewicht wirksam und verursacht
eine Verschwenkung des einen Kontaktsegmentes gegenüber dem anderen, so daß der
Motorstrom nun periodisch unterbrochen wird und sich das Verhältnis
verkleinert. Selbsttätig stellt sich dann durch Steuerung mittels des Fliehkraftgewichtes
ein Gleichgewichtszustand ein, in dem der dem Motor zugeführte effektive Strom gleich
ist dem Strom, der notwendig ist, um den Elektromotor mit Nenndrehzahl anzutreiben.
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Jede Schleifbürste des einen Kontaktsegments ist hierbei mit je einer
Schleifbürste des anderen Kontaktsegments verbunden. Die `beiden Kontaktsegmente
können beispielsweise einen Kontaktwinkel von 270° aufweisen, wobei der mögliche
gegenseitige'
Schwenkwinkel 90° beträgt, oder einen Kontaktwinkel
von 180°, wobei auch der mögliche gegenseitige Schwenkwinkel 180° beträgt. Durch
Schwenkung des beweglichen Kontaktsegments von 0° bis zum maximalen Schwenkwinkel
kann das Verhältnis tä von co bis 1, was in den meisten Fällen genügt, oder auch
bis 0 verändert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das eine Kontaktsegment
starr auf der Motorwelle befestigt und mittels einer Feder mit dem anderen lose
darauf angeordneten Kontaktsegment gekuppelt sein, das mit einer das Fliehkraftgewicht
tragenden Scheibe in starrer Verbindung steht, deren Fliehkraftgewicht sich bei
Erreichen der Motornenndrehzahl gegen eine Bremstrommel legt. Bei Erreichen der
Motornenndrehzahl wird das Fliehkraftgewicht mit der Scheibe, die mit dem losen
Kontaktsegment starr verbunden ist, abgebremst und damit um einen bestimmten Winkel
zurückgehalten, und zwar entgegen der Kraft der Feder, die vorzugsweise eine Spiralfeder
ist. Bremskraft und Spiralfederkraft halten sich dann die Waage, wenn dem Motor
über die beiden Kontaktsegmente ein Strom zugeführt wird, der dem Effektivwert entspricht,
durch den der Motor auf Nenndrehzahl gehalten wird. Zur Begrenzung der Schwenkung
des einen Kontaktsegmentes gegenüber dem anderen weisen beide Kontaktsegmente Anschläge
auf. Um den erfindungsgemäßen Motor auf Nenndrehzahl genau einstellen zu können,
ist eine Stellschraube vorgesehen, durch die die Vorspannung einer Feder einstellbar
ist, die der Fliehkraft entgegenwirkt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können beide Kontaktsegmente
lose auf der Motorwelle angeordnet sein, wobei ihr relativer Schwenkwinkel ebenfalls
durch an ihnen angeordnete Anschläge begrenzt ist. Neben den beiden Kontaktsegmenten
ist auf der Motorwelle je eine mit einem Fliehkraftgewicht versehene Scheibe starr
befestigt. Das Fliehkraftgewicht der einen Scheibe legt sich unterhalb der Motornenndrehzahl
an das zugehörige Kontaktsegment an, wodurch das Kontaktsegment mitgenommen wird,
und das Fliehkraftgewicht der anderen Scheibe legt sich erst nach Erreichen der
Motornenndrehzahl an das andere Kontaktsegment an und nimmt es mit. Das erst nach
Erreichen der Motornenndrehzahl zur Wirkung kommende Fliehkraftgewichtweisteinen
etwa senkrechtweggerichteten Arm auf, mit dem es sich an das andere Kontaktsegment
anlegt. Im Betriebe nimmt bei Drehzahlen, die unterhalb der Nenndrehzahl liegen,
nur die eine Scheibe das zugehörige Kontaktsegment mit. Dieses Kontaktsegment nimmt
nun seinerseits das andere Kontaktsegment mit, da beide Kontaktsegmente durch Anschläge,
die ihren möglichen gegenseitigen Schwenkwinkel begrenzen, miteinander gekuppelt
sind. In dieser Stellung der beiden Kontaktsegmente ist der Motorstrom dauernd eingeschaltet,
so daß das Verhältnis
ist. Dadurch steigt infolge des hohen Effektivwertes des Stromes die Drehzahl bis
zur Nenndrehzahl. Bei Erreichen der Nenndrehzahl wird auch das andere Kontaktsegment
mit der zugehörigen Scheibe durch das Fliehkraftgewicht gekuppelt. Hierbei ändert
sich an dem Verhältnis ta noch nichts, so daß die Drehzahl noch weiter ansteigt.
Dadurch wird das Fliehkraftgewicht der ersten Scheibe wirksam und gelangt außer
Eingriff mit dem zugehörigen Kontaktsegment, das nun von dem zugehörigen Schleifbürstenpaar
abgebremst wird. Jetzt erfolgt eine Drehung dieses Kontaktsegmentes gegenüber dem
anderen Kontaktsegment derart, daß das Verhältnis
kleiner wird, und zwar so lange, bis die Drehzahl so weit gesunken ist, daß das
Fliehkraftgewicht der ersten Scheibe wieder an das entsprechende Kontaktsegment
zur Anlage gelangt. In diesem Zustand, der sich automatisch einstellt, erhält der
Motor den Effektivwert des Stromes, den er zur Aufrechterhaltung der Nenndrehzahl
benötigt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das einen Kontaktsegment
starr und das andere lose auf der Motorwelle angeordnet sein, wobei neben dem losen
Kontaktsegment auf der Motorwelle eine Scheibe starr sitzt, auf der an diametral
gegenüberliegenden, vom Mittelpunkt gleich weiten Punkten gleich große Zahnräder
drehbar angeordnet sind, die Fliehkraftgewichte aufweisen und entgegen Federkraft
durch die Fliehkräfte drehbar sind und mit einem mit dem entsprechenden Kontaktsegment
starr verbundenen Zahnrad im Eingriff stehen. Die Zahnräder können segmentförmig
ausgespart sein. Dadurch werden erhabene Stellen an den Zahnrädern gebildet, die
zur Erzeugung von Fliehkräften dienen. An sich brauchte nur ein Zahnrad vorgesehen
zu werden. Das zweite Zahnrad dient lediglich zur Vermeidung einer Unwucht. Bei
Erreichen der Motornenndrehzahl werden die Fliehkräfte wirksam und drehen das lose
auf der Motorwelle angeordnete Kontaktsegment in einer Richtung, in der das Verhältnis
kleiner wird. Auch in diesem Falle stellt sich selbsttätig ein stabiler Zustand
ein, in dem die Motornenndrehzahl aufrechterhalten wird. Zur Kompensation der Fliehkräfte
ist auf der den Zahnrädern abgewandten Seite der Scheibe ein mit der die Scheibe
durchdringenden Achse des einen Zahnrades in Verbindung stehendes Hebelsystem angeordnet,
das unter Wirkung einer entgegen der Fliehkräfte wirkenden Feder steht, deren Vorspannung
mittels einer Stellschraube einstellbar ist. Durch diese Stellschraube kann die
Nenndrehzahl des Motors genau eingestellt werden.
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Die Scheibe kann zwei Anschläge für einen mit der Zahnradachse starr
verbundenen Hebel des Hebelsystems aufweisen, wodurch der Schwenkbereich des auf
der Motorwelle lose angeordneten Kontaktsegmentes begrenzt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 eine schematische Schaltskizze eines Elektromotors gemäß der Erfindung,
Fig. 2 zwei Kontaktsegmente in einer Stellung zueinander, in der
ist, Fig. 3 die gleiche Anordnung wie Fig.2, wobei jedoch das rechte Kontaktsegment
um 90° im Uhrzeigersinn gedreht und deshalb
ist, Fig. 4 zwei Kontaktsegmente in einer Stellung zueinander, in der
ist, Fig. 5 die gleiche Anordnung wie Fig. 4, wobei
das unterste
Kontaktsegment gegenüber dem oberen um 180° gedreht und
ist, Fig. 6 einen Ausschnitt aus einem Elektromotor gemäß der Erfindung im Bereich
der beiden Kontaktsegmente, Fig. 7 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles VII der
Fig. 6, Fig. 8 einen Ausschnitt aus einem anderen Elektromotor gemäß der Erfindung
im Bereich der Kontaktsegmente, Fig. 9 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles IX der
Fig. 8, Fig. 10 einen Schnitt nach der Linie X-X der Fig. 8, Fig. 11 einen Ausschnitt
aus einem weiteren Elektromotor gemäß der Erfindung im Bereich der Kontaktsegmente,
Fig. 12 einen Schnitt nach der Linie XII-XII der Fig. 1 und Fig. 13 eine Ansicht
in Richtung des Pfeiles XIII der Fig. 11.
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Gemäß Fig. 1 ist auf der Welle 1 des Elektromotors 2 ein schleifringartiges,
etwa doppel-T-förmiges Kontaktsegment 3 befestigt, das über Schleifbürsten 4 und
5 in den Stromkreis 6 des Elektromotors 2 eingeschaltet ist. Durch das Kontaktsegment
3 wird dem Elektromotor aus der Gleichstromquelle 7 ein zerhackter Gleichstrom zugeführt,
dessen Effektivwert gleich ist dem Strom, der notwendig ist, um den Elektromotor
2 mit Nenndrehzahl anzutreiben. Um die gewünschte Nenndrehzahl konstant zu halten,
können zur Steuerung des Stromes auf der Motorwelle 1 gemäß den Fig. 2 und 3 zwei
Kontaktsegmente 8 und 9 isoliert angeordnet sein, die über die Schleifbürsten
10 und 11 bzw. 12 und 13 in den Stromkreis des Elektromotors
2 eingeschaltet sind. Mit Hilfe eines Fliehkraftgewichtes kann z. B. das Kontaktsegment
9 gegenüber dem Kontaktsegment 8 um 90° gedreht werden. In der in Fig. 2 gezeichneten
Stellung der beiden Kontaktsegmente 8 und 9 ist das Verhältnis der Einschaltzeit
te zur Ausschaltzeit ta gleich 1, weil nämlich te = ta = :c ist. In
der Stellung nach Fig. 3 ist das rechte Kontaktsegment 9 gegenüber dem linken Kontaktsegment
8 um 90° im Uhrzeigersinn verschwenkt. In dieser Stellung der beiden Kontaktsegmente
8 und 9 ergibt sich
weil nämlich ta = 0 ist.
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Während die Kontaktsegmente 8 und 9 nach den Fig. 2 und 3 einen Kontaktwinkel
von je 270° aufweisen, besitzen die Kontaktsegmente 14 und 15 nach den Fig. 4 und
5 einen Kontaktwinkel von je 180°. Der Schwenkwinkel ist ebenfalls 180°. In der
Stellung nach Fig. 4 ist das Verhältnis
weil ta = 0
ist. In der Stellung nach Fig. 5, in der das untere Kontaktsegment
15 gegenüber dem oberen Kontaktsegment 14 um 180° geschwenkt ist, beträgt weil nämlich
te = 0 ist.
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Bei dem in Fig.6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf der Motorwelle
1 zwei Kontaktsegmente 16 und 17 angeordnet, und zwar das Kontaktsegment
16 starr und das Kontaktsegment 17 lose. An den beiden Kontaktsegmenten 16 und 17
liegen Schleifbürsten 18 und 19 paarweise an, die in den Stromkreis des Elektromotors
eingeschaltet sind, der das zylindrische Gehäuse 20 aufweist. Beide Kontaktsegmente
16 und 17 weisen je einen Flansch 21 und 22 auf, die senkrecht abstehende Stifte
23 und 24 besitzen, an denen die Enden einer Spiralfeder 25 befestigt sind. Der
Stift 24 dient gleichzeitig als Anschlag und arbeitet mit einem am Flansch
21 befestigten Anschlagstift 26 zusammen. Durch diese Anschlagstifte 24 und 26 wird
der Schwenkwinkel des losen Kontaktsegmentes 17 auf 180° begrenzt.
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Mit dem Kontaktsegment 17 ist eine Scheibe 27 starr verbunden, auf
der, wie insbesondere Fig.7 zeigt, ein Fliehkraftgewicht 28 bei 29 schwenkbar gelagert
ist. Das Fliehkraftgewicht 28 besitzt eine Bremsfläche 30, die mit der zylindrischen
Innenwand 31 des Motorgehäuses 20 zusammenarbeiten kann. Außerdem weist das Fliehkraftgewicht
28
einen senkrecht nach unter gemäß Fig. 7 abstehenden Arm 32 auf, an dem
eine vorgespannte Druckfeder 33 angreift, die sich an einer Stellschraube 34 abstützt,
die in einen Lagerbock 27 der Scheibe 27 eingeschraubt ist und mit deren
Hilfe die Vorspannung der Druckfeder 33 eingestellt werden kann, wodurch auch gleichzeitig
die Einstellung der Nenndrehzahl des Elektromotors erfolgt. Vor Erreichen der Nenndrehzahl
befindet sich das Fliehkraftgewicht 28 in der in Fig. 7 dargestellten Lage, in der
die Kontakts;,gmente 16 und 17 so zueinander angeordnet sind, daß das Verhältnis
ist.
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Bei Erreichen der Nenndrehzahl dreht sich das Fliehkraftgewicht 28
um den Zapfen 29 entgegen dem Uhrzeigersinn gemäß Fig. 7 und gelangt in Anlage an
die zylindrische Innenwand 31 des Gehäuses 20. Dadurch wird die mit dem Kontaktsegment
17 starr verbundene Scheibe 27 abgebremst und das Kontaktsegment 17 entgegen der
Kraft der Spiralfeder 25 gegenüber dem Kontaktsegment 16
verschwenkt. Es stellt
sich hierbei ein Gleichgewichtszustand ein, in dem die Bremskraft der Kraft der
Spiralfeder 25 die Waage hält, wobei der Motor die Nenndrehzahl aufweist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.8 sind auf der Motorwelle
1 die beiden Kontaktsegmente 35
und 36 lose gelagert. Beide Kontaktsegmente
35 und 36 besitzen Flansche 37 und 38 mit Anschlagstiften 39 und 40, die den möglichen
gegenseitigen Schwenkbereich beider Kontaktsegmente 35 und 36 auf 90° begrenzen.
Auf der Welle 1 sind ferner zwei Scheiben 41 und 42 starr befestigt, auf denen,
wie insbesondere aus den Fig.9 und 10 hervorgeht, Fliehkraftgewichte 43 und 44 bei
45 und 46 schwenkbar gelagert sind. Mit Mitnehmern 47 und 48
stützen
sich das Fliehkraftgewicht 43 und der senkrecht abstehende Arm 49 des Fliehkraftgewichtes
44
an den Kontaktsegmenten 35 und 36 ab. Anschläge 50 und 51 begrenzen den
Schwenkbereich der Fliehkraftgewichte 43 und 44. Auf die Arme 49 und 52 der Fliehkraftgewichte
44 und 43 wirken Druckfedern 53 ein, die sich an Stellschrauben 54 abstützen, die
in Lagerböcke 41' und 42' der Scheiben 41 und 42 eingeschraubt
sind und zur Einstellung der Vorspannung der Druckfedern 53 und damit auch der Motornenndrehzahldienen.
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An den Kontaktsegmenten 35 und 36 liegen Schleifbürsten 55 und 56
paarweise an: Bei Drehzahlen unter der Nenndrehzahl des Motors drückt die Druckfeder
53 den Mitnehmer 47 gegen das Kontaktsegment 35, so daß dieses Kontaktsegment
mitgenommen
wird. Über die Anschlagstifte 39 und 40 erfolgt hierbei auch eine Mitnahme
des Kontaktsegmentes 36, da der Mitnehmer 48 des Armes 49 des Fliehkraftgewichtes
44 nicht an dem Kontaktsegment 36 anliegt. In dieser Stellung ist das Verhältnis
und der Elektromotor wird mit dem vollen Strom versorgt. Bei Erreichen der Nenndrehzahl
schwenkt das Fliehkraftgewicht 44 entgegen dem Uhrzeigersinn gemäß Fig.9
und entgegen der Kraft der Druckfeder 53 aus, so daß sich der Mitnehmer 48 an das
Kontaktsegment 36 anlegt und dieses mitnimmt. Gleichzeitig hebt sich das Fliehkraftgewicht
43 mit seinem Mitnehmer 47 von dem Kontaktsegment 35 entgegen der Kraft der Druckfeder
53 ab, wodurch das Kontaktsegment 35 auf der Motorwelle 1 freigegeben wird. Das
Kontaktsegment 35 wird jetzt lediglich durch die Schleifbürsten 55 abgebremst und
damit gegenüber dem anderen Kontaktsegment 36 zurückgehalten. Diese Relativdrehung
beider Kontaktsegmente 35 und 36 hat zur Folge, daß das Verhältnis tä kleiner wird.
Der Effektivstrom sinkt und damit auch die Drehzahl, und zwar so weit, daß der Mitnehmer
47 des Fliehkraftgewichtes 43 wieder in Anlage an das Kontaktsegment 35 gelangt.
In diesem sich selbsttätig einstellenden Zustand erhält der Motor den Effektivwert
des Stromes, der zur Aufrechterhaltung seiner gewünschten Nenndrehzahl notwendig
ist. Bei Veränderung des Drehmoments oder der Spannung erfolgt automatisch eine
Nachstellung.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 sind auf der Motorwelle
1 ein Kontaktsegment 57 starr und ein Kontaktsegment 58 lose angeordnet.
Der Motorstrom wird diesen Kontaktsegmenten über Schleifbürstenpaare 59 und 60 zugeführt.
Mit dem losen Kontaktsegment 58 steht ein Zahnrad 61 in starrer Verbindung, das
in zwei weitere Zahnräder 62 und 63 eingreift, die segmentförmige Aussparungen 64
und 65 aufweisen, wodurch Erhebungen 66 und 67 entstehen, die als Fliehkraftgewichte
dienen. Die Zahnräder 62 und 63 sind drehbar auf einer Scheibe 68 gelagert, die
auf der Motorwelle 1 starr befestigt ist. Das Zahnrad 63 sitzt starr auf einer in
der Scheibe 68 drehbar gelagerten Achse 69, die auf der gegenüberliegenden Seite
der Scheibe 68 mit einem Hebel 70 starr verbunden ist, der mittels einer
Lasche 71 mit einem bei 72 schwenkbar gelagerten Hebel 73 in Verbindung steht.
Der Schwenkbereich des Hebels 70 und damit der Zahnräder 62 und 63 wird durch Anschläge
74 und 75 der Scheibe 68 begrenzt. Auf den Hebel 73 wirkt eine Druckfeder 53 ein,
die sich an einer Einstellschraube 54 abstützt. Diese Einstellschraube 54, die in
einen Lagerbock 68' eingeschraubt ist, dient zur Einstellung der Vorspannung der
Druckfeder 53 und damit der gewünschten Motornenndrehzahl.
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Unterhalb der Motornenndrehzahl weisen sämtliche Teile die in den
Fig. 11 bis 13 dargestellte Lage auf, in der die beiden Kontaktsegmente 57 und 58
so zueinander angeordnet sind, daß das Verhältnis
ist. An diesem Verhältnis ändert sich bis zum Erreichen der Nenndrehzahl nichts.
Ist z. B. die Nenndrehzahl 3000 U/min und die erlaubte Höchtdrehzahl 3090 U/min,
dann muß bei dieser Höchstdrehzahl das lose Kontaktsegment 58 gegenüber dem festen
Kontaktsegment 57 so gedreht sein, daß das Verhältnis ist.
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Bei Überschreiten
der Motomenndrehzahl werden die Fliehkraftgewichte 66 und 67 wirksam, die die Zahnräder
62 und 63 gemäß Fig. 12 im Uhrzeigersinn so weit schwenken, daß Gleichgewicht zwischen
den Fliehkräften und der Druckfeder 53 herrscht. Durch die Schwenkung der Zahnräder
62 und 63 wird über das Zahnrad 61 das lose Kontaktsegment 58 gegenüber dem starr
auf der Welle 1 befestigten Kontaktsegment 57 verschwenkt, so daß dem Elektromotor
ein geringerer effektiver Strom zugeführt wird. Bei einer bestimmten Stellung des
losen Kontaktsegmentes 58 gegenüber dem festen Kontaktsegment 57 wird automatisch
der Zustand erreicht, in dem sich der Ankerstrom einstellt, den der Motor zur Aufrechterhaltung
der gewünschten Nenndrehzahl benötigt.