DE202008001242U1

DE202008001242U1 - Vorrichtung zur Steuerung eines Gleichstrommotors

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Publication number: DE202008001242U1
Application number: DE202008001242U
Authority: DE
Original assignee: ORTLOFF HELENE; Walter Soehner GmbH and Co KG
Current assignee: Binova De GmbH; Ortloff Helene De
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: DE202008001242U9

Abstract

Vorrichtung zur Steuerung eines Gleichstrommotors (33), mit einem Rotor (1), der wenigstens einen Magnetring (11, 12) mit wenigstens einem Magnetelement (12.1, 12.2) aufweist, und mit einem Stator (2), der wenigstens ein Statorwicklungselement (21) mit Spulenelementen (21.1, 21.2, 21.3) aufweist, wobei Rotor (1) und Stator (2) gegeneinander bewegbar und durch wenigstens einen Luftspalt (23, 24) auf Abstand gehalten sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die Spulenelemente (21.1, 21.2, 21.3) wenigstens teilweise in einer Sternschaltung mit einer U-Wicklung (5), einer V-Wicklung (6), einer W-Wicklung (7) und mit einem Sternpunkt (8) angeordnet sind,
dass die U-Wicklung (5), die V-Wicklung (6), die W-Wicklung (7) und der Sternpunkt (8) an eine Rechnereinheit (31, 32, 34, 35) angeschlossen sind, wobei mit der Rechnereinheit (31, 32, 34, 35) der Gleichstrommotor (33) wie folgt steuerbar ist:
a) Bestromen wenigstens zweier der in Sternschaltung angeordneten Spulenelemente (21.1, 21.2, 21.3) in einem festgelegten Zeitbereich,
b) Messen von...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gleichstrommotors, mit einem Rotor, der wenigstens einen Magnetring mit wenigstens einem Magnetelement aufweist, und mit einem Stator, der wenigstens ein Statorwicklungselement mit Spulenelementen aufweist, wobei Rotor und Stator gegeneinander bewegbar und durch wenigstens einen Luftspalt auf Abstand gehalten sind.
Es sei angemerkt, dass ein Elektromotor und ein Generator hinsichtlich ihres Aufbaus als ähnlich und damit als Maschinen anzusehen sind, die sich nur durch ihre Betriebsform unterscheiden, so dass sich die Erfindung – mutatis mutandis – auch auf einen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom erstreckt.
Die ersten Anwendungen eines eisenlosen Motors lieferte Michael Faraday (1791–1867). Obwohl die eisenlosen Maschinen zuverlässig funktionierten und den eisenbehafteten Motoren und Generatoren in nichts nachstanden, hatte sich die Fachwelt in zwei unterschiedlich große Lager in deren Befürworter und deren Gegner aufgeteilt.
In den 80-iger Jahren des 19. Jahrhunderts wurden sehr viele Lösungsvorschläge für neue Wicklungen für die drei bekannten Prinzipien Ring-, Trommel- und Scheibenwicklungen zum Patent angemeldet. 1887 wurde in den USA von Nikola Tesla der erste technisch reife Drehfeldmotor entwickelt, der bei einer Leistung von 7,5 kW 380 kg wog.
Eisen verstärkt das Magnetfeld nicht in dem Sinne, dass es dem magnetischen Feld der Spule ein eigenes Feld hinzufügt, sondern es verkürzt nur den verlustreichen Weg der Feldlinien durch die Luft. Die magnetischen Feldlinien sind reale Energielinien, die im Verlauf in der Luft stark an Energie verlieren, je weiter sie sich von der Quelle entfernen. Eisen hat die Eigenschaft, den Fluss wesentlich besser zu leiten als das Medium Luft.
Paradox erscheint allerdings dabei, dass sogenannte Luftspulenmaschinen nicht das vielfache Volumen oder den vielfachen Durchmesser von Eisenmaschinen gleicher Leistung besitzen. Das Gegenteil ist sogar der Fall, denn bei optimaler technischer Umsetzung der Essenz der Energieumwandlung sind Luftspulenmaschinen kleiner als Eisenmaschinen. Der Grund dafür ist, dass Luftspulenmaschinen eine höhere Effizienz haben, die z. B. in einer kleinen Bauform und in einem hohen Wirkungsgrad sichtbar wird.
Ein Motor der eingangs genannten Art ist aus deutschsprachigen Faltprospekten der MAACON GmbH, Aschauer Strasse 21, 81549 München bekannt. Es handelt sich um 3-phasige bürstenlose Servomotoren (Torque-Motoren) für Servoapplikationen mit hohen Anforderungen an die Dynamik bei kompakter Bauform. Die Wicklungen sind speziell für die An wendung ausgelegt. Für bestimmte Anwendungen kommen Sonderbleche mit geringen Eisenverlusten zum Einsatz. Die Steuerung des bekannten Motors ist schwierig. Wie bekannt, wird die Ständerwicklung als Sternschaltung ausgelegt. Hierdurch erhält jeder Strang einen geringeren Wert seiner Nennspannung. Die Frage der Spannungsabsenkung beim Einschalten erfordert besondere Aufmerksamkeit.
Für bürstenlose Motoren gibt es Vielzahl von veröffentlichten Schutzrechten, insbesondere im Bereich von Kleinmotoren. Beispielsweise sind bürstenlose Elektromotore aus der US-B-3 988 654 bzw. der DE-A-10 2005 013 bekannt. Derartige Motore lassen sich mit einem Regelkreis betreiben. Zur Regelung wird eine Information über die Rotorlage benötigt. Diese Information läßt sich durch Strommessung ohne eine Lagesensorik ermitteln.
Vogelmann, H. gibt in seiner Dissertation „Die permanenterregte umrichtergespeiste Synchronmaschine ohne Polradgeber als Drehzahlgeber", Universität Karlsruhe 1986 eine Steuerungsmethode an, die aber sehr aufwendig ist.
Von Toshiba Electronics Europa werden Antriebssteuerungs-IC's mit hohem Integrationsgrad zur Steuerung bürstenloser 3-Phasenmotoren (BLDC) angeboten. Diese Halbleiterlösungen bieten aber kein hohes Drehmoment in der Einschaltphase.
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gleichstrommotors der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass hiermit wenigstens bereits in der Anlaufphase ein hohes Drehmoment zur Verfü gung gestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Spulenelemente wenigstens teilweise in einer Sternschaltung mit einer U-Wicklung, einer V-Wicklung, einer W-Wicklung und mit einem Sternpunkt angeordnet sind, dass die U-Wicklung, die V-Wicklung, die W-Wicklung und der Sternpunktan an eine Rechnereinheit angeschlossen sind, wobei mit der Rechnereinheit der Gleichstrommotor wie folgt steuerbar ist:
Bestromen wenigstens zweier der in Sternschaltung angeordneten Spulenelemente in einem festgelegten Zeitbereich,
Messen von Spannungsänderungs-Signalen in den bestromten und damit stromdurchflossenen Spulenelementen, die je nach Position zu den Magnetelementen erzeugt werden, Auswertung der erfassten Spannungsänderungs-Signale; Berechnung wenigstens der Stellung des Rotors des Gleichstrommotors.
Vorzugsweise erfolgt das Bestromen in einem Zeitbereich von 0,1 bis 10,2 Mikrosekunden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das Bestromen von zwei in Reihe liegenden Wicklungen der Sternpunkt im Stillstand vermessen werden kann. Hierdurch lässt sich die Stellung des Rotors bereits im Stillstand feststellen. Die Erkennung der Position des Rotors ist beim Anlauf wichtig, damit bereits beim Start ein möglichst hohes Drehmoment vorhan den ist. Ab einer bestimmten Drehzahl kann dann der dauermagnetische Motor selbst als Lagegeber dienen.
Die Spannungen und die Ströme in den Wicklungen, die durch die vier Messeingänge gemessen werden, können mit Hilfe einer „Hashtable", also einer Art elektronischer Zuordnungstabelle, zum Optimieren des Motorlaufs genutzt werden. Hierbei werden die Spannungsvektoren durch die Rechnereinheit selbst optimiert.
In den Unteransprüchen werden vorteilhafte Weiterbildungen der in Ansprüchen 1 und 2 genannten Merkmale angegeben.
So können in der Rechnereinheit Sollsignale abgelegt werden, die mit den gemessenen verglichen werden können. Hieraus kann die Stellung des Rotors berechnet werden.
Die Rechnereinheit kann einen Rechner, einen Leistungstreiber und eine Messeinheit aufweisen, wobei der Rechner sowohl über den Leistungstreiber als auch über die Messeinheit mit der U-, V- und W-Wicklung des Motors verbunden sein kann. Über eine Schnittstelle kann die Steuerung des Motors sichergestellt werden.
Der Rechner kann über ein Messelement mit dem Gleichstrommotor verbunden werden. Hierdurch lässt sich die Positioniergenauigkeit verbessern.
Die Messeinheit bzw. das Messelement kann ein Hallelement, ein Widerstand, ein induktives Element oder ein Magnetsensor sein. Es kann auch ein anderes magnetempfindliches Aufnahmeelement zum Einsatz kommen.
Die Spulenelemente des Statorwicklungselementes können als Flachkörperspulen ausgebildet sein, die wenigstens ein Flachwicklungselement aufweisen, das aus in einer Ebene nebeneinander liegenden Leitungszügen besteht, bei denen wenigstens deren Enden wenigstens teilweise miteinander verbunden sind; wenigstens ein Teil der Flachkörperspulen ist nebeneinander liegend wenigstens mit einem Teil ihres Volumens in einen Statorkunststoffkörper eingebettet, wobei zwei Arten von Magnetelementen vorhanden sind, nämlich in Radialrichtung Süd-Nord-gepolte und in Radialrichtung Nord-Süd-gepolte, die abwechselnd in Peripherierichtung des Magnetringes angeordnet sind.
Vorzugsweise ist ein Teil oder die Gesamtheit von Flachkörperspulen im Statorwicklungselement so angeordnet ist, dass etwa 0,75 bis 1,5 Flachkörperspulen jeweils einem Magnetelement gegenüberliegen. Die Größenverhältnisse Magnete zu Wicklungen können damit 3:4 bis 4:3 sein.
Die hiermit erzielten Vorteile bestehen insbesondere in einer kompakten Bauweise, geringem Gewicht, hohem Wirkungsgrad, geringer Umweltbelastung, hoher Festigkeit, kurzen Feldlinien und geschlossenem Feldlinienverlauf ohne Eisen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines bürstenlosen Gleichstrommotor in einer schematischen, von oben gesehenen Schnittdarstellung,
2 einen Teilausschnitt B von Rotor und Stator eines Gleichstrommotors gemäß 1,
3 eine schematische Darstellung der 1 mit einem Flachwicklungselement im Detail.
4 eine Sternschaltung von Flachkörperspulen eines Statorwicklungselements gemäß 1 in einer schematisch dargestellten Seitenansicht,
5 eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gleichstrommotors mit einem Rotor und einem Stator gemäß 1 bis 4 in einer schematischen Blockschaltungsdarstellung.
In 1 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor gezeigt. Er besteht aus einem Rotor 1 und einem Stator 2, die gegeneinander verdrehbar sind und durch einen oder mehrere Luftspalte 22, 23 getrennt sind.
Der Rotor 1 weist zwei nebeneinander liegende Magnetringe 11, 12 auf, die an einem Trägerelement (nicht dargestellt) angeordnet sind. Der innere Magnetring 11 schließt mit einem Innenring 14, der äußere Magnetring 12 mit einem Außenring 13 ab.
Beide Magnetringe 11, 12 werden im Zweikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt, so z. B. zunächst ein Konstruktionsring aus Kunststoff – zur Erhöhung der Festigkeit auch mit eingelegtem Metall – und dann das Magnetmaterial.
Als Magnetmaterialien können zum Einsatz kommen:

– Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)
– Samarium-Cobalt (SmCo)
– Aluminium-Cobalt (AlNiCo)
– Strontium-Ferrit (StFe)
– Barium-Ferrit (BaFe)

Ist z. B. der Magnetring 12 geformt worden, wie ihn 1 und 2 zeigen, so werden bestimmte Bereiche aufmagnetisiert, dass abwechselnd in Radialrichtung N-S-gepolte und S-N-gepolte Magnetelemente 12.1, 12.2 als Permanentmagnete vorliegen. Jedes Magnetelement hat hier etwa eine 1½-fache Länge eines Spulenelements 21.1, 21.2, die die Statorwicklungs-elemente 21 bilden.
Unter Belassung zweier Luftspalte 22, 23 liegt zwischen beiden Magnetringen 11, 12 der Stator 2 mit einem im Wesentlichen ringförmig ausgebildeten Statorwicklungselement 21, das aus Spulenelementen in Form von Flachkörperspulen 21.1, 21.2, 21.3, wie 1 und 2 zeigen, besteht. Die Spulenelemente sind in einen Statorkörper 24 aus Kunststoff eingebettet.
Eine Flachkörperspule 21.1 besteht aus einer Vielzahl miteinander verbundener Flachwicklungselemente 3, 4, wie sie in 3 dargestellt sind. Auch wenn im Folgenden Begriffe aus der herkömmlichen Spulenherstellungstechnik wie „Wicklung", „Windung", „stürzen" nicht streng fach männisch verwendet werden müssen, können sie doch am besten den Bezug vom Bekannten zum Neuen herstellen.
So sind die Flachwicklungselemente 3, 4 eigentlich keine „Wicklungen", die „aufgewickelt" werden. Vielmehr handelt es sich hier um zwei in einer Ebene sich gegenüber liegende Vielzahl von Leiterzügen, die von einem Wicklungsanfang 42 beginnend beabstandet untereinander und in Rechteckform zu einem Wicklungsende 33, 43 geführt sind. Eine weitere Besonderheit ist, dass die Wicklungsenden 33, 43 zu einer Falzstelle 33/43 verbunden sind. Damit liegt anfangs ein Flachwicklungs-Paar 3, 4 vor, das in der Draufsicht wie eine 8 aussieht. Selbstverständlich sind auch andere geometrische Formen wie ein Doppel-Sechseck oder dgl. möglich.
Um aus den Flachwicklungs-Paaren 3, 4 ein Spulenelement 21.1 herzustellen, werden die Flachwicklungselemente 3, 4 so gefaltet, dass ein Flachwicklungselement 3 auf einem Flachwicklungselement 4 zu liegen kommt. Die Faltstelle 33/43 ist dabei die Drehebene oder auch Drehpunkt und kommt nach oben zu liegen. Selbstverständlich kann die Faltrichtung auch umgekehrt sein.
Sind die Flachwicklungs-Paare 3, 4 gefaltet, wird Wicklungsanfang 42 des zweiten Flachwicklungselements 4 mit dem Wicklungsanfang des ersten Flachwicklungselementes 3 des nachfolgenden Flachwicklungselement-Paares verbunden. Auf diese Art und Weise werden die Leiterzüge der Flachwicklungs-Paare 3, 4 Bestandteil des jeweiligen Spulenelements und bestimmen damit die gewünschte Wicklungszahl.
Zwischen die Flachwicklungselemente 3, 4 werden obere und untere, nicht-leitende Folienelemente gelegt und alles zu einem Spulenpaket gem. 3 zusammen gefügt. Das Zusammenfügen kann ein Pressen sein. Der Pressdruck kann entsprechend variiert werden. Unabhängig von der Art des Zusammenfügens wird durch Auswahl entsprechender Materialien ermöglicht, dass das Isoliermaterial auch in die Abstände zwischen den Leitungszügen dringt und die Flachwicklungselemente gegeneinander isoliert.
Die Motoren können in Mikrobauweise hergestellt werden. Ein Spulenpaket eines Spulenelements kann hier z. B. eine Höhe von etwa 10 bis 15 mm und eine Breite von etwa 5 bis 10 mm haben. Sie können aber auch in Makrobauweise hergestellt werden.
4 zeigt eine mögliche Verschaltung der Flachkörperspulen 21.1, 21.2, 21.3 als Sternschaltung. Hierbei ist der Sternpunkt 8 heraus geführt und die U-Wicklung mit 5, die V-Wicklung mit 6 und die W-Wicklung mit 7 bezeichnet. Auch eine Dreieckschaltung ist realisierbar. Für besondere Eigenschaften können die Spulenelemente auch einzeln angesteuert werden.
Um einen Motor 33 präzise steuern zu können, ist eine Vorrichtung vorgesehen, wie sie in 5 als Blockschaltbild dargestellt ist.
Hierbei ist eine Messeinheit 34 mit einem Rechner 31 verbunden. Der Rechner kann ein Mikrorechner sein. Mit dem Rechner 31 ist außerdem ein Leistungstreiber 32 verbun den. Leistungstreiber 32 und Messeinheit 34 sind an der U-, V- und W-Wicklung der Sternschaltung der Spulenelemente 21.1, 21.2, 21.3 (vergl. 4) angeordnet. In gleicher Art und Weise sind die übrigen Spulenelemente des Rotors 1 sterngeschaltet und mit dem Rechner verbunden. Außerdem liegen die Sternpunkte 8 ebenfalls an der Messeinheit 34. Um die Positioniergenauigkeit zu erhöhen, ist ein zusätzliches Messelement 35 vorgesehen. Über eine Schnittstelle 36 wird die Steuerung des Motors 33 sichergestellt.
Im Stillstand wird durch den Rechner veranlasst, dass auf zwei Spulenelemente, z. B. die Wicklungen 5 und 6, von den drei in Stern geschalteten Wicklungen ein Stromimpuls gegeben wird. Die Stromimpulse werden in einem Intervall von 0,1 bis 10,2 μs (Mikrosekunden) auf die Wicklungen gegeben werden.
Die sterngeschalteten Wicklungen 5, 6 des Stators 2 verhalten sich wie ein Spannungsteiler. Die vorhandenen Analogvorgänge in den Spannungs- und Stromverläufen werden erfasst, wobei dem Sternpunkt 8 eine wichtige Bedeutung in der Verhältnismäßigkeit der Spulen untereinander zukommt. Durch Versuche werden so die einzelnen Positionen erfasst und im Rechner 31 beispielsweise als Hashtable abgelegt.
Beim Ansteuern des Motors 33 werden tatsächliche Werte gemessen. Die Berechnung der Position des Rotors wird aus dem Vergleich der gemessenen mit den abgespeicherten Werten aus dem Eichvorgang ermittelt. Die Sättigungsströme und ihr Verhältnis entspricht der Reluktanz (dem magneti schen Widerstand) der einzelnen Spulenelemente und zeigt relative Position der Spulenelemente zu vorhandenen Magnetelementen 12.1, 12.2.
Die Stellung des Rotors 1 ist äußerst wichtig für ein problemloses Anfahren das Motors 33. Hervorzuheben ist, dass der Sternpunkt 8 zur Messung der Position verwendet wird. Damit ist gesichert, dass bereits beim Anlauf ein hohes Drehmoment vorhanden ist.
Die stromdurchflossenen Wicklungen erzeugen weiterhin beim Laufen des Rotors 1 unterschiedliche Spannungsabfälle je nach Position zu den Magneten 12.1, 12.2. Diese Signale werden durch den Rechner 31 ausgewertet und zur Stellungs-Optimierung genutzt.
Die Strom- und Spannungsvektoren werden also im Rechner 31 optimiert. Ab einer bestimmten Drehzahl kann der dauermagnetisierte Rotor 1 selbst als Stellungsgeber dienen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3988654 B [0008]
- DE 102005013 A [0008]

Claims

Vorrichtung zur Steuerung eines Gleichstrommotors (33), mit einem Rotor (1), der wenigstens einen Magnetring (11, 12) mit wenigstens einem Magnetelement (12.1, 12.2) aufweist, und mit einem Stator (2), der wenigstens ein Statorwicklungselement (21) mit Spulenelementen (21.1, 21.2, 21.3) aufweist, wobei Rotor (1) und Stator (2) gegeneinander bewegbar und durch wenigstens einen Luftspalt (23, 24) auf Abstand gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente (21.1, 21.2, 21.3) wenigstens teilweise in einer Sternschaltung mit einer U-Wicklung (5), einer V-Wicklung (6), einer W-Wicklung (7) und mit einem Sternpunkt (8) angeordnet sind, dass die U-Wicklung (5), die V-Wicklung (6), die W-Wicklung (7) und der Sternpunkt (8) an eine Rechnereinheit (31, 32, 34, 35) angeschlossen sind, wobei mit der Rechnereinheit (31, 32, 34, 35) der Gleichstrommotor (33) wie folgt steuerbar ist: a) Bestromen wenigstens zweier der in Sternschaltung angeordneten Spulenelemente (21.1, 21.2, 21.3) in einem festgelegten Zeitbereich, b) Messen von Spannungsänderungs-Signalen in den bestromten und damit stromdurchflossenen Spulenelementen (21.1, 21.2, 21.3), die je nach Position zu den Magnetelementen (12.1, 12.2) erzeugt werden, c) Auswertung der erfassten Spannungsänderungs-Signale; d) Berechnung wenigstens der Stellung des Rotors (1) des Gleichstrommotors (33).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung in einem Zeitbereich von 0,1 bis 10,2 Mikrosekunden erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rechnereinheit (31, 32, 34, 35) Sollsignale ablegbar sind, die mit den gemessenen Ist-Signalen zu vergleichen sind, und dass hieraus die jeweilige Stellung des Rotors (1) berechenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit einen Rechner (31), einen Leistungstreiber (32) und eine Messeinheit (34) aufweist, und dass der Rechner (31) sowohl über den Leistungstreiber (32) als auch über die Messeinheit (34) mit der U-, V- und W-Wicklung (5, 6, 7) des Motors (33) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (31) über ein Messelement (35) mit dem Gleichstrommotor (33) verbunden ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (34) bzw. Messelement (35) ein Hallelement, ein Widerstand, ein induktives Element oder ein Magnetsensor ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente des Statorwicklungselementes (21) als Flachkörperspulen (21.1, 21.2, 21.3) ausgebildet sind, die wenigstens ein Flachwicklungselement (3, 4) aufweisen, das aus in einer Ebene nebeneinander liegenden Leitungszügen (31.1, ... 31.n; 41.1, ... 41.n) besteht, bei denen wenigstens deren Enden (33, 43) wenigstens teilweise miteinander verbunden ist, dass wenigstens ein Teil der Flachkörperspulen (21.1, 21.2, 21.3) nebeneinander liegend wenigstens mit einem Teil ihres Volumens in einen Statorkunststoffkörper (24) eingebettet sind und dass zwei Arten von Magnetelementen (12.1, 12.2) vorhanden sind, nämlich in Radialrichtung Süd-Nord-gepolte und in Radialrichtung Nord-Süd-gepolte, die abwechselnd in Peripherierichtung des Magnetringes angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil oder die Gesamtheit von Flachkörperspulen (21.1; 21.2) im Statorwicklungselement (21) so angeordnet ist, dass etwa 0,75 bis 1,5 Flachkörperspulen (21.1; 21.2) jeweils einem Magnetelement (12.1; 12.2) gegenüberliegen.