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Schrittmotor Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schrittmotor
mit einem Permanentmagneten als Rotor sowie einer Dreiphasenwicklung, in welcher
ein Drehfeld mittels einer elektronischen Scijaltungsanordnung (Drehfeldgeber) ererzeugt
wird.
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Ein derartiger Schrittmotor ist bereits aus der deutschen Offenlegungsschrift
1.488.100 bekannt. Bei dem dort dargestellten Motor wird jede der drei Wicklungen
einzeln durch einen Drehfeldgeber bestromt. Als Drehfeldgeber dient eine elektronische
Schaltungsanordnung, bei welcher außerdem elektrische Schalter vorgeseiiün sind,
die eine Verriegelung jener Wicklungen vornehmen, die momeltan nicht stromführend
sein sollen. Bei diesem Motor ergeben sich zwölf Schritte pro Umdrehung bei Verwendung
eines Rotors mit v Pol paaren.
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Es ist ferner auch ganz allgemein bekannt, bei Zweiphasenmotoren ein
Drehfeld durch zwei rechtwinklig zueinander angeordnete toeldwicklungen zu erzeugen.
Bei einem Rotormagneten mit einem Polpaat ergeben sich dabei vier Schrittc pro Umdrehung.
Zum Zwecke einet elektronisch gesteuerten Stromrichtungsumkehr werden bei solchen
Motoren die beiden Feldwicklungen je als Doppelwicklung ausgeiführt.
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Der Nachteil des ersten Motors besteht nun darin, damit immer nur
eine der drei Wicklungen stromführend ist, so daß jeweils nur ein Drittel des Wicklungsraumes
zur Erzeugung eines Drehfeldes gezogen wird. Die Folge ist, daß die abgegebene Leistung
im Verzu der Größe des Motors gering ist. Diese geiinge Leistung be(leutLL weiterhin
ein niedriges Drehmoment und damit eine geringe Schrittgeschwindigkeit.
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Der Nachteil des zweitgenannten Motors besteht ebenfalls in der schlechten
leistungsmäßigen Ausnutzung des Motors. Ilier ist immer nur ein Viertel des möglietien
Wicklungsraumes zur Drehmomentc.rzetgung für den Motor herangezogen.
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Aufgabe der Frfindung ist es, unter Vermeidung der Nachteile der vorgenannten
Motoren, einen Schrittmotor zu schaffen, der bei etwt gleichen äußeren Abmessungen
wie bei dem vorgenannten ersten I-tor eine wesentlich erhöhte Leistung und eine
wesentlich höhere Schrittgeschwind1gkeit aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, damit die Wicklungen
in an sich bekannter Weise im Dreieclc geschaltet sind und daß von dem Drehfeldgeber
an alle Dreieckspunkte der Wicklungen gleichzeitig taktweise sich ändernde Spannungspotentiale
angelegt werden, wobei an diesen Dreieckspunkten die Potentialwerte positiv, negativ
und Null in vom Drehfeldgeber vorbestimmter Kombination anttreten.
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Gemäß der Erfindung wird somit gleichzeitig in allen Wicklungen Spannung
in Form digitaler Impulse erzeugt. Durch den Drehfeldgeber werden diese Spannungen,-
für deren Wirksamkeit lediglich wichtig ist, da13 die Impulse positives, negatives
oder Nullpotential aufweisen,- an den einzelnen Dreieckspunkten in vorbestimmter
Weise
variiert. Wesentlich im Sinne der Erfindung ist dabei die
zustitzlichte Erzeugung des Nullpotentials, da hierdurch zusammen mit dem positiven
und dem negativen Potential eine Reihe zusätzlicher Kombinationsmöglichkeiten für
die Potentialausbildung an den Dreieckspunkten geschaffen wird. Dadurch ist es möglich
zu einer gröJeren Zahl von Schritten pro Umdrehung zu kommen, ohne die Zahl der
Polpaare zu erhöhen und damit eine Verkleinerung des Drehmomentes in Kauf nehmen
zu müssen. Bei einem zweipoligen Rotor ergibt sich bei dieser Art der Ansteuerung
eine Unterteilung einer Rotorumdrehung in zwölf Schritte. Da in allen Wicklungen
gleichzeitig ein Strom flieht, kann gegenüber in bisher üblicher Form betriebenen
Schrittmotoren eine Erhöhung der Schrittgeschwindigkeit auf etwa das Vierfacheerreicht
werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß als
Drehfeldgeber ein als Ringzähler geschaltetes Schieberegister mit 3 Speicherstellen
verwendet ist und daß jede Speicherstelle über eine logische Schaltungsanordnung
mit einem der Dreiec#spunkte der Wicklungen in Verbindung steht. Mit einem solchen
Schiebcregister ist auf einfache eise eine Variation der Impulsspannungen für die
Drehfelderzeugung möglich. Aujitrdem ist eine Drehrichtungsumkehr des Motors durch
Änderung der Schieberichtung des Scliieberegisters - durch Vertauschen der Anschlüsse
zwischen den Speicherstellen - ohne besonderen Aufwand möglich.
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Das Schieberegister weist nach einer Weiterbildung der Erfindung v
Speicherstellen mit je zwei Ausgängen auf, wobei ein Taktgeber die eingespeicherten
Informationen jeweils nach einer Taktlänge weiterschaltet.
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Gemäß weiterer vorteilhafter Ausbildung der. Erfindung ist vorgesehen,
daß die Signale der insgesamt 6 Ausgänge des Schieberegisters
in
der logischen Schaltungsanordnung und nachgeordneten Verstärkeranordnungen in der
Weise mit einander verknüpft werden, daß an jedem Dreieckspunkt der Wicklungen abwechselnd
für jeweils 5 halbe Taktlängen Impulse mit positivem und Impulse mit negativem Potential
entstehen-, wobei diese Impulse an den genannten drei Punkten gegeneinander phasenverschoben
sind,- und daß ferner in der logischen Schaltungsanordnung durch das Taktsignal
zusammen mit den Ausgangssignalen des Schieberegisters Austastimpulse mit dem Potential
Null für die Dauer einer halben Taktlänge erzeugt werden, die zeitlich zwischen
dem Übergang von positivem auf negatives Potential der vorgenannten Impulse liegen,
derart, daß an den Dreieckspunkten der Wicklungen insgesamt 12 verschiedene Kombinationen
von Potentialen entstehen, entsprechend 12 Schritten des Motors für eine Umdrehung.
Durch die Erzeugung des Nullpotentials für eine halbe Taktlänge wird das von dem
Schieberegister erzeugte positive bzw. negative Potential, das an und für sich jeweils
6 halbe Taktlängen andauern würde, um eine halbe Taktlänge verkürzt. Die durch ein
3-stelliges Schieberegister erzeugbaren sechs Kombinationsmöglichkeiten fUr die
Ausgangssignale werden durch den zusätzlichen Austastimpuls (Impuls mit Nullpotential)
verdoppelt, so daß sich auf elektronischem Wege eine Verdoppelung der Schrittzahl
für den Motor erreichen läßt.
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Weiterhin ist die Erfindung in der Weise weitergebildet, daß jeweils
der L-Ausgang der einen und der 0-Ausgang der im Schieberegister nachfolgenden Speicherstelle
in einem Auswertekanal, bestehend aus einem Teil der logischen Schaltungsanordnung
und Je einem Verstärker, ebenso wie der 0-Ausgang der ersten und der L-Ausgang der
nachfolgenden Speicherstelle in einem weiteren Auswertekanal zusammengefaßt sind,
daß ferner in dem einen Auswertekanal ein positivem positivem und Nullpotential
und in dem anderen Auswertekanal ein Impulszug mit negativem und Nullpotential erzeugt
werden, wobei jeweils das positive bzw. negative Potential für fünf und das Null
potential für sieben halbe Taktlängen vorhanden
sind und daß an
jedem Dreieckspunkt jeweils die Impulse der beiden entsprechenden Auswertekanäle
einander überlagert werden.
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Es werden somit immer die L- und O-Signale zweier benachbarter Speicllerstellen
zur Erzeugung des Impulses für einen Dreieckspunkt zusammengefaßt, wobei an der
letzten Speicherstelle des Schieberegisters wegen des Übergangs auf die erste Speicherstelle
eine Ausnahme insofern besteht, als der L- und der 0-Ausgang für die Weitergabe
der Signale vertauscht sind. Diese Signale liegen zeitlich immer so, daß das Signal
der zu sich ersten der beiden Speicherstellen des Schieberegisters um eine Taktlänge
vor dem Signal der nachLolgenden Speicherstelle in den anderen Schaltzustand umschaltet.
Es sind somit während einer Taktlänge diese beiden Signale gleichzeitig entweder
0 oder L. Der während dieser vollen Taktlänge auftretende Taktimpuls erzeugt während
der Dauer seiner Impulspause(halbe Taktlänge) den Austastimpulsa der wiederum bewirkt,
daß das positive bzw. negative Potential an einem Dreieckspunkt der Wicklungen nur
für 5 und nidt für 6 halbe Taktlängen anliegt und daß dort zwischen dem Übergang
von positivem auf negatives Potential ein Null-Potential entsteht.
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Im folgenden sollen diese und noch weitere Merkmale der Erfindung
anhand eines Aus führungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnung noch näher erläutert
werden.
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Es zeigen: Fig. 1 die zwölf verschiedenen Stellungen des Rotormagneten
bei den entsprechenden Impulsspannungen an den Wicklungen Fig. 2 Blockschaltbild
eines Drellfeldgebers gemäß der Erfindung Fig. 3 eine Schaltungsanordnung eines
Drehfeldgebers nach Fig. L Fig. 4 das Impulsdiagramm der Impulse am Ausgang des
Taktgebers
Fig. 5 die in den 3 Speicherstellen des Schieberegisters
erzeugten Ausgangssignale Fig. 6 bis S die Acsgangspotentiale an den jeder Speicherstelle
zugeordneten Leistungstufen sowie das hieraus resultierende Potential an den einzelnen
Dreieckspunkten 1 bis der Wicklungen.
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In Fig. 1 sind in schematischer Weise die im Dreieck geschalteten
5 Wicklungen des Schrittmotors dargestellt. Entsprechend der eXrfindungsgemäßen
Ansteuerung ergeben sicli zwölf unterschiedliche Zustände hinsichtlich der an den
5 Wicklungen liegenden Spannungsr potentiale. Die Dreieckspunkte der Wicklungen
sind mit 1, 2, 5 bezeichnet. Der Rotor des Motors ist zweipolig ausgeführt und seine
elektromagnetiscli wirksame Lage schematisch durch einen Pfeil angedeutet. Durch
einen nachstehend näher erläuterten Drehfeldgeber werden an die Dreieckspunkte 1
bis 3 digitale Impulsspannungen mit positivem, negativem oder Null-Potential angelegt.
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Zur Erzeugung eines Drehmomentes ist es grundsätzlich notwendig, daß
die Spannungen an diesen Dreieckspunkten untereinander unterschiedliche Polarität
aufweisen. Durch sinnvolle Veränderung der Polarität der Spannungen an den einzelnen
Dreieckspunkten wird an den Rotor ein sich in vorbestimmter Richtung drehendes elektrisches
Feld zu dessen Antrieb angelegt. Der Rotor dreht sich entsprechend den angelegten
Impulsspannungen schrittweise in der in Fig. i dargestellten Weise.
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In Fig. 2 ist in stark schematisierter Weise ein erfindungsgemäder
Drehfeldgebet dargestallt. Ein Taktgeber 5 erzeugt eine Impuls folge, bei der das
Verhältnis von Impulsdauer zu Impulslücke gle e 1 ist. Dem Taktgeber nachgeordnet
ist ein dreistufiges Schieberegister 6, welches in Form eines Ringzählers geschaltet
ist. Das heißt, der negierte Ausgang der letzten Speicherstelle ist mit
dem
Setzeirigang der ersten Speicherstelle verbunden. Die Ausgangs signale dieser Speicherstellen
- und zwar die L- und die 0-Ausgangssignale werden einer ersten Gruppe von logisclien
Gattern 7 -12 bz. einer zweiten Gruppe von logischen Gattern 13 bis 18 zugeführt.
Als Gatter können erfindungsgemäß sowohl Und-Nicht-Gatter sowie Oder-Nicht- Gatter
verwendet werden. Die beiden Ausführungsmöglichkeiten unterscheiden sich nur dadurch,
daß die verwendeten Signale die umgekehrte Polarität haben. Jedem d - ì Gatter 13
bis 18 ist eine Leistungsstufe 19 - 24 nachgeschaltet, wobei jeweils die Ausgänge
zweier benachbarter Leistungsstufen zusammengeführt sind und an einem der drei Dreieckspunkte
der Wicklungen des Schrittmotors liegen. Jeweils die eine Leistungsstufe einer Gruppe
erzeugt bei Durchschaltung einen positiven und die andere Leistungsstufe einen negativen
Impuls. Gemä der Erfindung ist immer nur eine der Leistungsstufen für 5 halbe Takt-1
ingen eingeschaltet, während für eine weitere halbe Taktlänge beide Leistungsstufen
ausgeschaltet sind.
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Die Gatter 7 - 12 liegen mit ihrem zweiten Eingang direkt an dem Taktgeber
5. Ihr Ausgang bildet den zweiten Eingang der Gatter 13i bis 18. Wie später noch
näher erläutert werden wird, erzeugen die direkt an den Gattern 13 bis 18 anliegenden
Signale die Anstiersflanke von Nullpotential auf positives Potential bzw. von Nullpotential
auf negatives Potential für jeden an einem Dreieckspunkt liegenden Impuls, die Ausgangssignale
der Gatter 7 - 12 erzeugen die Abfallflanke dieser Impulse. Während jener halben
Taktlänge, bei welcher die von dem Schieberegister kommenden Signale sowie das Taktsignal
den gleichen Schaltzustand L bzw. 0 haben, wird der Austastimpuls erzeugt, während
dessen Dauer beide Leistungsstufen einer Gruppe gesperrt sind.
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Die von dem vorbeschriebenen Drehfzldgeber an den drei Dreieckspunkten
des Motors erzeugten Potentialkombinationen haben den in der Fig. 1 dargestellten
zeitlichen Verlauf.
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In Fig. 3 ist der vorbeschriebene Drehfeldgeber im Detail dargestellt.
Mit A, B und C sind dit drei als Flip-Flops ausgebildeten Speicherstellen bezeichnet.
Die Ausgänge tragen die Bezeichnungen A, , C, die negiev en Ausgang die Bezeichnungen
Ã, B, C.
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Die Ausgänge A, B der Flip-Flogs A und 13 sind mit den Steuereingängen
des jeweils folgenden F)ip-Flops verbunden, der Ausgang C des letzten Flip-Flops
ist mit dem Steuereingang des ersten Flip-Flops A verbunden. Der Taktgeber 5 liegt
mit seinem Ausgang parallel an den Takteingängen der drei Flip-Flops. Die logische
Schaltungsanordnung ist vollstindig aus Oder- Nicht- Gattern (NOR-Gattern) aufgebaut.
Die logischcn Gatter 7 und 1) sowie die entsprechende Verstärkerstufe 19 werden
als ein Auswertekanal bezeichnet. Desgleichen gilt für die (atter 8, 14 und die
Verstärkerano nung 20, die Gatter 9, 15 und den Verstärker 21 usw. Die Ausgangssignale
A, B werden in einem ersten Auswertekanal sowie die Signale A und B in einem zweiten
Auswertekanal logisch miteinander verknüpft. Beide Auswertekanäle werden am Ausgang
der Verstärker 23 und 24 zusammengeführt und ziegeln gemeinsam an dem Dreieckspunkt
3. Desgleichen gil; für <!ie Flip-Flops B und C sowie C und A.
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Durch das Taktsignal, welches an den Eingängen aller sechs Gatter
7 - 12 liegt, werden die Ausgangssignale der Flip-Flops weitergcschaltet. Die Ausgangssignale
er NOR-Gatter 7 - 12 seien mit G, die Ausgangssignale der Gatter 13 - 18 mit S bezeichnet;
die Taktsignale tragen die Bezeichnung T. Die cinzelncn Auswertekanäle sind voneinander
danach unterschieden, welches Potential (positiv oder negativ) sie an welchen Dreieckspunkt
legen. Die Signale G und S tragen daher Indices wie 1+ oder 2- usw.
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Im folgenden soll nun anhand der Impulsdiagramme der Figuren 4 bis
näher 8 die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung/erläutert werden.
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Legt man eine Taktimpulsfolge, vie sie in Fig. 4 dargestellt ist,
an den Eingang eines Schieberegisters, das in der vorbescliricbcncn
Weise
ausgebildet ist und dessen Schaltzustand in allen drei Speicherstellen anfangs |0
0 (ar, so wird an den Ausgängen A, B und C dieser Flip-Flops eine Signalfolge entstehen
wie in Fig. 5 dargestellt. Grundsätzlich ist es so, daß jede Speicherstelle während
so vieler Takte ein L-Signal am Ausgang führt, wie das Schieberegister Speicherstellen
hat. Im folgenden Falle, bei dem im Tllnblick auf die drei Motorwicklungen drei
Speicherstellen vorgesehen sind, führt jede Speicherstelle während drei voller Taktlängen,-entsprechend
sechs halber Taktläng£n,- ein L-Signal und während drei voller Taktlängen ein O-Signal.
Da nach jeweils einem Takt ein Signal von dem einen Flip-Flop in das nächste geschoben
wird, sind die Ausgangsslgnale der drei Flip-Flops gegeneinander jeweils um einen
Takt verschoben. Aufgrund der gegenseitigen Verschiebung der Signale A, B und C
gegeneinander um jeweils einen Takt sowie aufgrund der vorbeschriebenen Zusammenfassung
bestimmter Ausgangssignale zweier aufeinanderfolgender Flip-Flops ergibt sich, daß
jeweils das an einem der Gatter 13 bis 18 direkt anliegenden Signale um einen vollen
Takt später umschaltet als das an dem einen Eingang der Gattergruppe 7 - 12 liegende
Signal. Wie schon erwähnt, ist dieser Abstand von einer Taktlänge für die Erzeugung
des Austastimpulses und die damit einhergehende Erzeugung eines Nullpotentiales
für die Dreieckspunkte der Wicklungen des Schrittmotors wesentlich. Während der
zweiten Takthälfte (Impulspause) dieses Taktes wird der erste G-Impuls erzeugt,
welcher die Umschaltung eines Signals S1+ bzw. S1 von L auf 0 bewirkt. Zu diesem
Zeitpunkt hat jedes dieser für die Dauer der Ansteuerung des Motors malJgeblichen
Signale erst fünf halbe Taktlängen angedauert, so daß durch diesen G-Impuls die
Verkürzung der sechs halbe Taktlängen dauernden Signale A, n und C auf fünf halbe
Taktlängen bewirkt wird. Aus der Zusammensetzung der Signale S1+ und S1- zu dem
Signal 1 erkennt man, daß während der Zeitdauer des jeweils ersten G-lmpulses das
Nullpotential für die an dem Dreieckspunkt 1 liegende Impulsgruppe 1 erzeugt wird.
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Für die beiden Auswertekanäle 1+ und 1-, bestehend aus den Gattern
7 und 13 bzw. 8 und 14 und den dazugehörigen Leistungsstufen 19 und 20, soll nunmehr
anhand der Fig. 6 für die einzelnen Taktzeiten di Wirkungsweise der Anordnung noch
näher erläutert werden.
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Für die verwendeten NOR-Gatter mit zwei Eingängen gilt, daß nur dann
ein Signal L an ihrem Ausgang entsteht, brenn die beiden Dingangssignale 0 sind.
Bei allen drei anderen möglichen Kombinationen der Eingangssignale entsteht ein
Ausgangssignal O.
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Während der ersten Taktzeit sind der Takt und das Signal ' = das Ausgangssignal
G ist 0 und das Signal m am Ausgang des Gatters 13 ist L, da auch A = O. Die gleichen
Verhältnisse liegen aucji bei der Taktzeit 2 vor. Zu Beginn der Taktzeit 7 ist das
Signal C = 0 geworden, der Takt bleibt jedoch gleich L, das Signal G1+ bleibt infolgedessen
0. Zusammen mit dem Signal = 0 0 leibt das Signal S1+ nochmals L. Während der Impulspause
des dritten Taktes sind das Signal C = 0 und der Takt = 0 geworden. Infolgedessen
wird das Ausgangssignal G1+ des Gatters 7 gleich L und nun entsteht aus diesem Signal
zusammen mit dem Signal A = O am Ausgang des Gatters 13 das Signal S S1+ = O. Zu
Beginn der vierten Taktzeit wird das Sigbleibt nal A = L und damit / das Ausgangssignal
am Gatter 13 S1+ = 0. Die weiteren G 1 mpulse am Ausgang des Gatters 7 haben auf
das Ausgangssignal S1+ = 0 keinen Einfluß mehr. Die vorbeschriebenen Verhältnisse
dauern während des ganzen Taktes fünf an. Zu Beginn des secilsten Taktes wird C
= L, zusammen mit T = L ergibt sich G = Da A weiterhin gleicll L bleibt, ändert
sich am Signal Si+ nichts.
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Zu Beginn des siebten Taktes ist C = L untl T = L. G ist in @ edessen
0 und erzeugt zusammen mit dem gleichzeitig auf 0 umgeschalteten Signal A ein Signal
S1+ = L. Dieses Signal bleibt nun bis zum Ende des ersten hälfte des Taktes 9 bestehen.
Es ergibt sich somit, daß das Signal S1+ für fünf Halbtakte gleich L und für sieben
Halbtakte gleich 0 ist.
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Analog zu dem Vorbeschriebenen wird aus den Signalen A und C das Signal
S l erzeugt. Am Ausgang der Verstärker 19 und 20 werden aufgrund der beiden Signale
S1+ und S Impulsgruppen erzeugt, welche positives und Null potential bzw. negatives
und Nullpotential aufweisen. Diese beiden Impulsgruppen werden am Dreieckspunkt
l einander überlagert und bilden den Impulszug 1, der die Potentialverteilung an
diesem Dreieckspunkt der Wicklung darstellt.
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In analoger Weise werden die Impulszüge 2 und 3 für die Dreieckspunkte
2 und 3 gebildet. Vergleicht man die Potentiale der drei Impulszüge für die verschiedenen
Taktzeiten, so erhält man die in Fig. l dargestellte Pote'tialverteilung. Dabei
ist zu beachten, daß die zwölf Potentialkombinationen, entsprechend zwölf Schritten
oder einer Umdrehung des Motors zwölf halben Taktlängen oder sechs volleii Takten
der Fig. 4 bis. 8 entsprechen.