DE1613087A1 - Electric motor with high-frequency alternating current supply - Google Patents
Electric motor with high-frequency alternating current supplyInfo
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Description
Blektromotor mit hochfreguente.r Wechselstromspeisung.Sheet metal motor with high-frequency alternating current supply.
Die im lolgenden beschriebene Erfindung versucht die Aufgabe zulösen, möglichst viele elektromechaniche Arbeitsspiele pro Sekunde in eine langsame Umdrehung-einer Motorwelle umzuäetzens Ä., ohne dabei Lagerungen-für hohe Drehzehlen, Kollektoren öder CD Schleifringe und zusätzliche Getriebe zu benutzen.The invention described in the following attempts to solve the problem of converting as many electromechanical work cycles per second as possible into a slow rotation - of a motor shaft , without using bearings - for high speeds, collectors or CD slip rings and additional gears.
Damit soll bezweckt werden, Langsamläufer mit günst igem Leistungsgewicht und leichter elek6nischer Steuerbarkeit zu erhalten. Außer elektromagnetischen sollen auch piezöelektrische oder magnetostriktive Wandler in Betracht kommen.The aim of this is to provide low-speed runners with a favorable power-to-weight ratio and easier electronic controllability. Except for electromagnetic ones Piezoelectric or magnetostrictive converters can also be used.
Grundgedanke ist, die hochfrequenten-Arbeitsspiele nicht als Rotdion sondern als elastische Schwingung zu erzeugen, - etwa im nahen Ultraschallbereich - und-diese'Schwingung in eine langsame Umdrehung zu verwandeln.The basic idea is to generate the high-frequency work cycles not as a rotdion but as an elastic oscillation - for example in the near ultrasonic range - and to convert this oscillation into a slow rotation.
Es sind Planetengetriebe bekannt, bei denen um ein außenverzahntes Stirnzahnrad ein innen..verzahntes Rad gl * eichen Moduls mit nur wenig höherer Zahnzahl liegt. Ist eines der Räder um seine Achse drehbar gelagert, so kann das andere Rad s'eine langsame Umdrehung veranlassen, indem es kreisförpie SchwingMaßen , d#.h. zwei räumlich und in der Phase 0 um 90 gegeneinander verschobene Sinusschwringungen,- jedoch. keine Drehung ausführt. Die Lösung des ge-Ltellten Problems liegt also darin, daß diese Schwingungen viele Arbeitszyklen pro Sek-unde.erzeugen, ohne daß Lager- und Zentrifugalprobleme auftreten und aus denen eine langsame Drehung hohen Drehmoments resultiert. Natürlich kann auch das eine Rad ganz fpst sein und das schwingende sich gleichzeitlig,dr.ehen.There are known planetary gear in which * calibrate module is an externally toothed spur gear, a wheel innen..verzahntes gl with little higher number of teeth. If one of the wheels is mounted so that it can rotate about its axis, the other wheel can cause a slow rotation by making circular oscillations , d # .h. two spatially and in phase 0 shifted sinusoidal oscillations by 90 against each other, - however. does not rotate . The solution to the problem posed is that these vibrations generate many working cycles per second without bearing and centrifugal problems occurring and which result in slow rotation with high torque. Of course, one wheel can also be completely fpst and the swinging wheel can move at the same time.
Laut Prospekt'"Harmonic Drive" der International Division der United Shoe leiachinery CorDoration, Boston, Mass. USA.existiert bereits ein Motor-dieses Prinzips unter dem Namen '-'Responsyn. Actuator". Bei ihm ist-das innere, außen verzahate Rad elastisc"h verforäbar. Es wird durch ein magnetisches Drehfeld verformt -und steht an gegenüberliegenden Stellen im 1-,ingriff.According to the "Harmonic Drive" brochure of United's International Division Shoe leiachinery CorDoration, Boston, Mass. USA. Already exists an engine-this one Principle under the name '-'Responsyn. Actuator ". With him there is-the inside, outside Toothed wheel elastically deformable. It is deformed by a rotating magnetic field -and stands on opposite points in the 1-, in-grip.
Jedoch ist die#ßer Motor nicht zur Lösung der oben genannten Aufgabe gebaut, hohe Leistung bei kleinerem Gewicht abzugeben. Er dient vielmehr nur ald Synchronmotor mit 60 Hz Betriebsfr'äquenz und als Schrittmotor fÜr digitale iwecke. IlTerden bei letzterem bis zu 1400 Hz zugelassen, so au--gesprochen nicht, #um höhere Leistung zu-erzielen, sondern "at light loads".However, the # ßer engine is not built to solve the above-mentioned task of delivering high power with a lower weight. Rather, it only serves as a synchronous motor with 60 Hz operating frequency and as a stepper motor for digital purposes. IlTerden permitted up to 1400 Hz for the latter, so explicitly not # to achieve higher performance, but "at light loads".
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, dieses Antriebsprinzip für hoheleistungen nutzbar zu machen.The invention is therefore based on the object of this drive principle to make it usable for high performance.
Gegenstand der Erfindung-ist ein Elektromotor, bei dem durch elastische Kreisschwingungen eines Rads-eines Planetengetriebes eine Drehung kleinerer Frequenz-erzeugt wird. Er zeichnet sich gegenüber dem genannten bekannten Motor dadurch aus, daß bei gleichzeitiger Verkleinerung des Zahnaioduls das Übersetzungsverhältnis el. Antriebsfrequenz - mech-Abtriebfrequenz auf eine Größenordung über 100 bis 1000 :'l gesteigert ist, daß die elstischen Schwingungen bei voller Drehzahl im Ultraschallbereich liegen, und daß als speisende Quelle ein D.rehstromerzeuger synchron gesteuerter Fiequenz und variabler Spannung vorhanden ist.The subject matter of the invention is an electric motor in which a rotation of a smaller frequency is generated by elastic circular vibrations of a wheel of a planetary gear. Compared to the known motor mentioned, it is distinguished by the fact that, with simultaneous reduction in the size of the tooth module, the transmission ratio electrical drive frequency - mech output frequency is increased to an order of magnitude over 100 to 1000 : 'l, that the elastic vibrations are in the ultrasonic range at full speed, and that a three-phase generator with synchronously controlled frequency and variable voltage is available as the feeding source.
Als Antriebssystem für die Erzeugung der Kreisschwingungen könna piezoelektrische oder magneto.§triktive Wandier Verwendung finden. A uch kann ein hydraulischer Wandler zwischen-Geschaltet sein, cTer mit einem,Kolben oder'Faltenbä-lg gerInseren Querschnitts eine ausreichende Amplitude erzeugf* Auch mit magnetischen Kräften ist ein solcher Hochleistungs-Motor betreibbar , wenn ein hochfrequentes Drehfeld (bei weichmagnetischem. Material einseitig) umläuft, welches zwei Ferritringe ineinander abrollen läßt.Piezoelectric or magneto.§trictive transducers can be used as the drive system for generating the circular oscillations. A uch may be a hydraulic converter between turned ON, CTER with one piston oder'Faltenbä-lg gerInseren cross section erzeugf sufficient amplitude * Also with magnetic forces is such a high-performance motor operable, when a high-frequency rotary field (on one side in soft. Material ), which allows two ferrite rings to roll into each other.
Bei solchen Fdrritringen kann die Zahnijn& sogar weg- elassen und durch die Oberflächenrauheit und die magnetische Haftkraft ersetzt',ribrden. Wenn es" wie in diesem Fall J wegender Sp:i2ödigkeit des MFaterials nicht möglich ist, durch elastische Verformung der M-- rollenden Zahnkränze Eingriffe an gegEnÜberliegenden Stellen zu verursachen, so können Trägheits,kräfte entstehen. Um- diese zu vermeiden,-'setzt man . zwei -oder.' n gleiche 1.rLotore dicht hintereinander auf di*e gleiche' Ach se und läßt sie mit 1800 bzw. 3600 Phasenverschiebung arbeiten.: Der zum Betrieb der l#.-lotören notwendige zwei- oder'Mehrphasige Drehstromerzeuger enthält für jede Phase einen Kraftverstär-ker, der vcn"die Lage des Schwingers abtastenden, Sensoren gesteuert wird.In the case of such ferrite rings, the tooth can even be omitted and replaced by the surface roughness and the magnetic adhesive force. If it is not possible, as in this case, because of the lack of space in the material, to intervene in opposing points by elastic deformation of the rolling sprockets, inertial forces can arise. To avoid these, - 'sets one . two -or. ' n same 1st rotors close behind each other on the same axis and leave them with 1800 resp. 3600 phase shift work: The two- or multi-phase three-phase generator necessary for operating the l # .- lotören contains a power amplifier for each phase, which is controlled by sensors that scan the position of the oscillator.
Der Vortell des neuen Motors. liegt in seiner Leistungssteigerung. Dabei wird das Gewicht dadurch -niedrig -gehalten, daß das Getriebe Teil des 'Motors splbst ist.-Schließlich sind keine Verschleißteile., wie Lager fÜrhohe Drehzahlen.-Kollektoren oder Schleifringe-vorhanddn.The advantage of the new engine. lies in its increase in performance. The weight is kept low by the fact that the transmission is part of the engine It is very good.-After all, there are no wearing parts, such as bearings for high speeds.-Collectors or slip rings-available.
So wird er besaders zum Antrieb von Fahrzeugen geeIgnet. CD Die Erfindung ist nachfolgend beispielsweisel.an Hand von Zeichnungen erläutert-. Eä zeigen' Fig. 1 und 2 ein Planetengetriebe, mit dem die Grundlage der Antriebsart erläutert. wird, sowie (Fig.2) ein Antriebssystem zu diesem Getriebe.So it is ideally suited for driving vehicles. CD The invention is explained by way of example with reference to drawings. 1 and 2 show a planetary gear with which the basis of the drive type is explained. as well as (Fig. 2) a drive system for this transmission.
Fig.3 -Eine Ausführungsart--des neuen leotors mit piezo elektrischem Antrieb., Fig,. 4 Eine andere AusfÜhrungsart dieses Motors mit Yerritringen-und magnetischem Antrieb, In Fig,. 1 ist ein Planetengetriebe-mit den Rädern-1 und 2 gezeigt. Das äußere Rad besitzt 100, das innere -Rad, 90 Zähne. Da der Zahnmodul gleich ist-, verhalten sich die'Teilkreisdurchmessäer wie 10 : g. i#ührei., nun, Wie Gestiiehelt di-e Punkte 3,4,5 'und - 6 und damit- # alle Teile des Rades 1 #-ey-no,hrön-kre:'Lsfdrmige- Beviegungen aus" so rollt das Rad-2" welches-u-m- eine feste- Achse drehbar a-ägtordnet- ist, bei jeder- Kreisbewegung um 10 Zäne weiter.Fig. 3 - One embodiment - of the new leotors with piezo-electric drive., Fig. 4 Another embodiment of this motor with Yerritring and magnetic drive, in Fig. 1 shows a planetary gear with wheels 1 and 2. The outer wheel has 100 teeth and the inner wheel has 90 teeth. Since the tooth module is the same, the pitch circle diameters behave as 10: g. i # ührei., well, How gestiiehelt the points 3, 4, 5 'and - 6 and thus- # all parts of the wheel 1 # -ey-no, hrön-kre:' Lsfdrmige- bevings off "that's how it rolls Wheel-2 ", which can be rotated around a fixed axis, moves 10 teeth further with each circular movement.
Ist allgemein z a die Zahl der Zähne, d a der TeilkreUsdurchmesser des ab-etriebenen Rades, Az die Differenz der Zähne-U zahl und,4 d die Differenz der Te-ilkreisdurchmesser beider Räder, . so wird das Übersetzungsverhältnis Ü e1. Prequenz des Antriebs : mech. Frequenz des Abtriebs Der Durchmesser der Kreisschwingung =" doppelte Amplitude der be . iden 900 phasenvers-chobenen Sinusschwingungen ist ebenf alls A d. Za is generally the number of teeth, d a of the TeilkreUsdurchmesser the ex-etriebenen wheel, Az, the difference in teeth number and U-, 4 d, the difference in Te-ilkreisdurchmesser both wheels. so the transmission ratio is Ü e1. Drive frequency : mech. Frequency of the output The diameter of the circular vibration = "twice the amplitude of the BE. Iden 900 phasenvers-chobenen sinusoids is ebenf alls A d.
In Rig.2 ist schematisch eine Aufhängung-und ein Antrieb für das Rad7 1 dargestellt. Es ist an den Stellen 7 fest mit Blattfedern 8 verbünden, die ihrerseits durch starre Stege9. verbunden sind.So kann das Rad 1 waagerecht in Y.-Richtung schwingen. Die Stege 9 sind mit Blattfedern 10 an einem Rahmen 11 befest#-igt,'so daß sie senkrecht, d.h. in y-Richtung schwingen können. Die Antriebssysteme 12 und 13, die z.B.In Rig.2 a suspension and a drive for the Rad7 1 is shown schematically. It is firmly connected to the points 7 with leaf springs 8 , which in turn by rigid webs9. This means that wheel 1 can swing horizontally in the Y direction. The webs 9 are fastened to a frame 11 with leaf springs 10 , so that they can swing vertically, ie in the y-direction. The drive systems 12 and 13, for example
aus Zugmagneten oder Tauchspulsystemen bestehen können, erzeugen die Scirwingbewegungen, wobei sie mit geeigneten #liechselströmen,erregt werden.can consist of pull magnets or moving coil systems, generate the Swinging movements, where they are excited with suitable #chelic currents.
Das bisher betrachtete Beispiel mit Ü 9 entspricht noch nicht den Kennzeichen der Erfindung; für die geforderte An- näherung an T!erte zwischen Ü = 100 und 1000 ist jedoch folgendes daraus abzuleiten: a) Das innere Rad kann sich nicht anders bewegen, als auf dem Innenkreid des äußeren abzurolleni Eine Bewegung auf einer Sehne, damit ein Heraussprihgen aus der Zahnung wird durch den schrägen Eingriff der Zähne zu beiden Seiten des Berührungspunkts verhindeit. Dies ist noch deutlicher zu erkennen, wenn, bei größerem die Zähne' seitlich bis annähernd 900 ineinandergreifen. Das bedeutet, daß der elektrische Antrieb nicht. kritisch ist, da die genaue Amplitude und Phase derBewegung durch das Abrollen erzwungen werden. b) Beim Erhöhen von tY muß der Zahnmodul verkleinert werden.-Es ist leicht zu sehen, daß bei einer geometrisch ähnlichen Verkleinerung die Verringerung der einzelnen Zahnflankenflädhen durch die höhere Zahl von Zähnen kompensiert wird. Dadurch bleibt das übertragbare Drehmoment unveg#ändert. In Fig. 3 ist mit 20 das äußeremit 23 das innere Rad eines Getriebes bezeichnet. In diesem-Beispiel ist das äußere Rad mit der Abtriebswelle .21 in einem Lager 22 drehbar gelagert, "ährend das innere Rad 23 mittels Laschen 24, Doppelblattfedern 25 und dreier Federgeg,enlager'26 elastisch'mit-de.m Gehäuse 27 verbundene Die Teile 25 und--26'sind der Übersichtlichkeit halber nur einmal'dai-gestellt.-Der Teilkreis-unter-Isc hied.Ad ist aus dem gleichen Grund viel zu groß gezeichnet.' Ist der Teilkreisdurchmesser z.B. 20 cm# so wÜrde#der Luftspalt, (in Fig.3 oben) nur noch 012 mm" die'Zahnhöhe-nur etwa 0,1 mm betragen, wenn Ü = 1000 sein soll-. Sol,.! die Aähse 21 sich mit 20 U/sec. drehen,-.(was an der Hinterachse eines.Autos etwa 13,0 km/h entspriel#--t), so muß also die Frequenz"der Antriebsschwingung 20 kHz ihre A litude 0,1 mm betragen.The example considered so far with Ü 9 does not yet correspond to the characteristics of the invention; for the required arrival approximation to T erte 100 and 1000, however, derive from the following between Ü =: a) the inner wheel can not move otherwise than on the Innenkreid abzurolleni of the outer A movement on a chord, so that a Heraussprihgen from the toothing is prevented by the oblique engagement of the teeth on both sides of the contact point. This can be seen even more clearly when 'larger teeth' mesh laterally up to approximately 900. That means that the electric drive is not. it is critical that the exact amplitude and phase of the movement are enforced by the rolling. b) When tY is increased, the tooth module must be reduced. It is easy to see that with a geometrically similar reduction, the reduction in the individual tooth flanks is compensated for by the higher number of teeth. As a result, the transmittable torque remains unchanged. In Fig. 3 , 20 denotes the outer with 23 the inner wheel of a transmission. In this example, the outer wheel with the output shaft 21 is rotatably supported in a bearing 22, while the inner wheel 23 is elastically connected to the housing 27 by means of tabs 24, double leaf springs 25 and three spring bearings 26 For the sake of clarity, parts 25 and 26 'are only placed once. -The partial circle-under-Isc hied.Ad is drawn much too large for the same reason.' If the pitch circle diameter is, for example, 20 cm, the air gap would only be 012 mm (in Fig. 3 above), the tooth height-only about 0.1 mm , if Ü = 1000 should be. Sol,.! the Aähse 21 moves at 20 rev / sec. rotate, -. (which at the rear axle eines.Autos about 13.0 km / h entspriel # - t), so therefore the frequency "of the drive oscillation 20 kHz has its A litude be 0.1 mm.
ulp Zum Antrieb dieser Schwingungen sind piezoelektrische Viandleze, 29 (Z.B.- Bariumtitanat) vorg _gesehen,-welche sich auf einem gehäusefesten Dorn 28 abstÜtzen. Über ZuleituAgen 30 werden sie elektrißch versorgt. VTenn der Hub dieser T9e4idler zu klein, die Kraft aber zu groß ist, go-setzen hydraulische TJandler 31 diese l',lerte um. Die Kolben 32 di-eser INandler besitzen dann eine um den Umwandlungsfal#tor kleinere Pläche.ulp To drive these vibrations, piezoelectric Viandleze 29 (e.g. barium titanate) are provided - which are supported on a mandrel 28 fixed to the housing. They are supplied with electricity via supply lines 30. If the stroke of this T9e4idler is too small, but the force is too great, hydraulic TJandler 31 go-put it. The pistons 32 of the different INandler then have an area that is smaller by the conversion trap.
Statt der piezoelektrischen le.',landler 29 können auch magneto, striktive li'iaiidler eingesetzt werden. Selbstverständlich sind' die Antriebsspann-Unden im'Fall der Fig.3 um 120 0 phasenverschob.ene Sinusspannungen.Instead of the piezoelectric le. ', Landler 29, magneto, strict li'iaiidler can also be used. The drive span Unden im'Fall are of course 'of Figure 3 to 120 0 phasenverschob.ene sinusoidal voltages.
Die Anordnung derFig- 3 läßt sich leicht in eine solche verändern, bei der die Reaktionskräfte nach-außen 'praktisch kompensiert sind. Dazu ist das'Innenrad 23 über den g , anzen Umfang in der Mitte gespalten ( gestricheAte.-Linie 32) . jed.es dieser Einzelräder ist für sichvon 3 IT.landlern angetrieben, die dicht beieinander auf d'em gleichen Dorn 28 sitzen, aber gegenphasige Spaftnungen erhalten...Dadurch schwingen die beiden Teilräder 23 gegenphasig, und die.Reaktionskräfte heben sich auf.The arrangement of Fig. 3 can easily be changed to one in which the outward reaction forces are practically compensated. By das'Innenrad 23 is split in the middle above the g, ora circumference (gestricheAte. line 32). Each of these individual wheels is driven by 3 IT.landlers, who sit close together on the same mandrel 28 , but receive spafts out of phase ... As a result, the two part wheels 23 oscillate out of phase, and the reaction forces cancel each other out.
Bei dem in Fig.4 gezeigten Beispiel bestehen dasäußere Rad-40 und das innere Rad 45 aus weichmagnetischem Ferrit. Das äuflere Rad hat Nuten 41, in die eine - nur teilweise gezeichnete wicklung 42 eingelegt ist. Auch hier ist die Tellkreisdifferenz zu groß gezeichnet. Mlit Doppelblattfe.dern 43 ist das Rad'40 elastisch am Gehäuse 44 befestigt.In the example shown in Figure 4, the outer wheel 40 and the inner wheel 45 are made of soft magnetic ferrite. The äuflere wheel has grooves into which a 41 - is inserted only partially drawn winding 42nd Here, too, the circle difference is drawn too large. The wheel 40 is elastically attached to the housing 44 with double leaf springs 43.
Das innere Rad 45 sitzt auf einer Scheibe 46, die mit einem Flansch 47 au-f der Welle 48 -angebracht ist,9 In der gezeichneten. Stellung liegt der Beriihrungspunkt der Räder oben.The inner wheel 45 sits on a washer 46 that has a flange 47 is attached to the shaft 48, 9 in the one shown. Position is the point of contact the wheels above.
CD diesem Augenblick alle Spulen der linken Hälfte vTerden in eingeschaltet, so daß abwechselnd Nord- und Südpole zwischen den Nuten entstehen, so wird der Berührungspunkt nach-links wandern. Dabei. .müss.en alle Spulen hinter dem BerÜhrungspunkt abgeschaltet werden, da ihre magnetischen Kräfte sonst das Loslösen erschweren würden. Keue Spulen, bis an die Stelle des größten Luftspalts müssen dafÜr zugeschaltet werden..CD this moment all coils of the left half are switched on, so that alternating north and south poles arise between the slots, this is the point of contact hike to the left. Included. .must. switched off all coils behind the contact point otherwise their magnetic forces would make it difficult to detach them. Bobbin bobbins, up to the point of the largest air gap must be switched on for this ..
Es ist leicht vorstellbar und deshalb zeichnerisch nicht dargestellt, daß über den Umfang des Rads 40 mehrere Fühler z.B. induktiver Art, verteilt sind, welche über Halbleiterschaltelemente die zugeordneten Spulengruppen in der besehriebenen lleise zu- und abschalten. - Wird dabei- der Strom erhöht oder läßt die Belastung,der-VITelle 48 nach, so -wird automatisch die Frequenz höher werden und umGekehrt. Ein gleiches manetischei Verhalten ergibt sich aber auch, wenn die Spulen für ein normales zwei- oder dreiphasiges Drehfeld gewickelt und vers'chaltet, jedoch über Dioden.angeschloss-en sind, so daß immer nur eine Hälfte umlaufend erregt ist. Die Frequenz des Drehstroms , muß natürlich wieder -von der Schwingung abgegriffen werden.It is easy to imagine, and therefore not shown in the drawing, that several sensors, for example of an inductive type, are distributed over the circumference of the wheel 40, which gently switch the associated coil groups on and off in the described manner via semiconductor switching elements. - If the current increases or if the load on the VITelle 48 decreases, the frequency will automatically increase and vice versa. The same manetic behavior also results when the coils are wound and connected for a normal two- or three-phase rotating field, but are connected via diodes, so that only one half is always excited. The frequency of the three-phase current, of course, must be tapped -from the vibration again.
So hat der neue Motor mit den bekannten "kollektorlosen Gleichstrommotoren'it gemeinsam., wi e ein Synchronmotor zu arbeiten, der sich für die verschiedenen Drehzahlen die synchrone Antriebsfrequenz selbst herstellt.So has the new motor with the well-known "brushless DC motors" it in common. How to work a synchronous motor, which is suitable for the different speeds produces the synchronous drive frequency itself.
Außer den in Fig.3 und 4 dargebtellten Beispielen sind noch viele Variationen und Kombinationen möglich. So kann in Ab- wandlung der Beschreibung zu Fig.4 per.manentmagnetischer Ferrit CD -für das Rad 45 verwendet werden, der achsial über d,en ganzen Umfang gleich magnetisiert ist. Dann müssen im Rad.-40 ebenfalls achsiale Nord- und Südpole erregt-werden. Auch eine radiale "magnetische Verzahnung" ist möglich, bei der,4z = 1 sein kann. Bei 'der Verwendung hartmagnetischer Materialien braucht das Magnetf el d nicht mehr "einseitig" umzulaufen, da jetzt durch Umpolung eine Abstoßung erzielt wird.In addition to the examples shown in FIGS. 3 and 4, many variations and combinations are possible. Thus, the description can be used CD -for the wheel 45 to 4 shows per.manentmagnetischer ferrite, which is axially magnetized equal to about d, s entire circumference in waste conversion. Then axial north and south poles must also be excited in Rad.-40. A radial "magnetic toothing" is also possible, in which, 4z = 1 . In 'the use of hard magnetic materials, the Magnetf el d does not need to revolve "one-sided" because now rejection is achieved by reversing the polarity.
Auch kann ein ma,-,netischer Antrieb mit- normalen Zahnrädern des Planetensetriebes kombiniert sein.A mechanical drive with normal gears of the Planetary gear be combined.
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