DE2133668A1

DE2133668A1 - Wechselstromgenerator

Info

Publication number: DE2133668A1
Application number: DE19712133668
Authority: DE
Inventors: Ray Campbell Chicopee Mass. Noddin (V.StA.)
Original assignee: Eltra Corp
Current assignee: Eltra Corp
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-07-06
Publication date: 1972-01-20
Also published as: GB1342263A; CA920645A; US3651795A

Description

Eltra Corporation, 511 Hamilton Street, Toledo, Ohio '.■■3602, UGA

Wechselstromgenerator

Gegenstand der Erfindung ist eine dynamoelektrische Erregervorrichtung für Brennkraftmaschinen in Kombination mit einem unterbrecherlosen Kondensatorerrtladungszündsystem mit einen Wechselstromgenerator zur Erzeugung- der elektrischen Leistung, wobei die Erreger und Zündspulen für das Zündsystem auf einem Stator mit Leistungserzeugungsspulen montiert sind und beide durch eine von der Haschine angetriebene umlaufende Permanentmagnetkonstruktion erregt werden. Außerdem ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine bei einer vorbestimmten Maschinendrehzahl betätigte Frühzündung vorgesehen.

Die Kombination eines unterbrecherlosen Kondensatorentladungszündsystems mit Festkörperkomponenten und mit einem Wechselstromgenerator für die Leistungskreise in einem Fahrzeug wurden lange als geeignetes Ziel für wirtschaftliche Entwicklung angesehen. Die vorliegende Erfindung liefert eine solche Kombination in einer Ausführungsform, bei der eine Erholungsperiode für die Pestkörperkomponenten

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des Zündkreises rait niedrigen Kosten und hoher Zuver- . !Lässigkeit erreicht wird. Eine automatische Frühzündung für die Zündzeitpunkte bei vorbestimmter Drehzahl der Maschine wird ebenfalls ohne komplizierte Konstruktionen erzielt.

Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Schaffung eines unterbrecherlosen Kondensatorentladungszündsystems in Kombination mit einem Leistungswechselstrongenerator mit hohem Wirkungsgrad und hoher Zuverlässigkeit für beide Elemente.

Die Erfindung erstrebt ferner die Schaffung eines unterbrecherlosen Kondensatorentladungszündsystems, das durch einen Zündmagneten erregt und ausgelöst wird, indem nur Festkörperbauteile enthalten sind und der eine automatische Frühzündung bei vorbestimmter Drehzahl der Maschine aufweist.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung im Hinblick auf Anordnung, Wirkungsweise und Funktion der entsprechenden Elemente, verschiedener Konstruktionseinzelheiten, der Kombination der Teile und der Wirtschaftlichkeit der Herstellung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen, in denen in den einzelnen Figuren jeweils gleiche Bezugszeichen ähnliche Teile bezeichnen.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Wechselstromgenerator gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Unteransicht;

Fig. 3 ein Schaltbild für das Zündsystem; und in

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Wiedergabe

der zeitlichen Beziehungen der erzeugten Impulse der mit dem Zündkreis zusammenwirkenden Spulen.
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Aus Fig. 1 erkennt man ein festes kreisförmiges Statorelement 20, das durch die Schrauben 22 an der nicht gezeichneten Maschine befestigt ist. Die Maschine kann eine Einzylindermaschine, eine Zweitaktmaschine oder eine Ilehrzylindermaschine sein, wie man sie für die verschiedensten Zwecke, "beispielsweise zum Antrieb von Booten, Traktoren u. dgl. verwendet. Die Maschine ist mit einer umlaufenden Antriebswelle 24 versehen , die konzentrisch zum Stator 20 verläuft, der geeignete Lager aufweist.

Der Stator 20 ist mit nach außen vorstehenden Polen 26 versehen, die um seinen Außenumfang herum im gleichen Winkelabstand angeordnet sind. Bei dem wiedergesehenen System sind zwölf Pole vorgesehen, obwohl je nach den Konstruktionsforderungen auch mehr oder weniger Pole verwendet v/erden können. Die Enden 26a der Pole sind gekrümmt und verlaufen konzentrisch zur Helle 24. Wie üblich ist der Stator ein Lamellenstator, um Verluste infolge von Uirbelströmen herabzusetzen.

Zur Erleichterung der Beschreibung wurden die Pole mit dem Bezugszeichen 1 bis 12 bezeichnet. Sie weisen über den Unfang des Stators, wie sich aus Fig. 1 ergibt, einen V.'inkelabstand von 30° auf. Auf den Pol JTr. 1 sitzt eine Ladespule 28, während der Pol Nr. 2 offen ist, ohne daß auf ihm eine Spule montiert ist. Der Pol ITr. 3 trägt zwei Auslösespulen 30 und 32, von denen die Auslösespule zum Anlassen dient, während die Auslösespule 32 für den Normallauf der Maschine Verwendung findet. Alle drei Spulen 28, 30 und 32 finden Verwendung mit Zündkreisen für die Maschine, wie später noch näher erläutert v/erden soll.

Auf den Polen Hr. 4 bis 12 sind Leistungsspulen 34 montiert, die in Reihe geschaltet sind, so daß ein V/echselstromgenerator üblicher Bauart entsteht, wenn sie an die Leistungskreise des Fahrzeuges o. dgl. angeschaltet sind, die auf der Maschine montiert sind. Diese Kreise können zur Aufladung von Batterien, zum Betrieb von Lampen vjcvi. Verwendung finden. Solche Kreise sind bekannt und i.rm.ohon deshalb nicht weil-or becchvioboii :zu v/erden. Alle

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Spulen auf den Polen 1 bis 12 sind auf Spulenkörpern

o. dgl» gewickelt und elektrisch sorgfältig vom Stator 20 isoliert, wie es üblich und allgemein bekannt ist.

Außerhalb der Poloberflächen 26a ist ein Rotor 36 vorgesehen, der über einen minimalen Luftspalt 38 mit den Polenden zusammenwirkt,, so daß eine magnetische Erregung unterschiedlicher Dichte zur Erzeugung entsprechender Spannungen in den verschiedenen Spulen entsteht. Zu diesem Zweck ist eine Rotorkonstruktion vorgesehen, die in gleichem Abstand sitzende Hagnetgruppen trägt, wobei wenigstens eine Hagnetgruppe weggelassen und durch ein geeignetes Gegengewicht 42 mit nicht magnetischen Eigenschaften ersetzt ist, so daß ein im Gleichgewicht befindlicher Rotor entsteht, der aucZi mit hohen Drehzahlen laufen kann. Der Rotor 36 ist in geeigneter Weise auf der Welle 24 montiert und läuft mit dieser um, so daß die Magnetgruppen 40 über die Statorpole 1 bis 12 angetrieben werden, um die Spulen mit einer Wiederholungsperiode magnetisch zu erregen, wenn koine magnetische Erregung durch den Durchgang der nicht magnetischen Gegengewichte 42 auftritt, wie später noch näher erläutert werden soll.

Die Unterseite des Rotors ist mit Nuten 36a versehen, durch die während des Umlaufs ein Strom von Kühlluft erzeugt wird, der über den Stator 20 strömt und dafür sorgt, daß die Betriebstemperaturen unter Belastung herabgesetzt werden. Die Magnetgruppen 40 bestehen aus hochkoerzitiven Permanentmagneten 40a, die mit den Schichtmagnetschuhen 40b an jedem Ende der Magnete 40a zusammenwirken, so daß magnetisclio Kord- und Südpole in enger Gegenüberstellung im Luftspalt 38 zur Erzeugung der magnetischen Erregung entstehen. Alle Glieder des Rotors werden durch die Rotorkonptruktion in fester Relation zueinander gehalten. Die Polschuue '-Oh erstrecken sich in die innere Kreisöffnung 40c dos RoIore konzentrisch zur Welle 24 und sind außerdem konzentrir-ch zu den äußeren Endflächen 26a der Pole 2o nit den Dezu^szcichen 1 bis 12 auf den Stator 20.

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In FIg. 3, bei der es sich um ein schematisches Schaltbild des Zündapparats bei Verwendung im Zusammenhang mit einen Kondensatorentladezündkreis für eine Einzylindermaschine handelt, ist der Entladekondensator C. in Reihe mit der Primärspule P eines Aufwärtstransformators UP wiedergegeben, dessen Sekundärspule S an eine Funkenstrecke oder eine Zündkerze G gelegt ist, um das Brennstoffgemisch im nicht gezeichneten Zylinder der Haschine zu zünden. Eine Seite des Kondensators C ist an Hasse GR gelegt, während die andere Seite an die Primärspule P angeschaltet ist, durch welche der Kondensator C. durch die Ladespule 20 aufgeladen werden kann, die über die Widerstände R₁ und R₂ und die Dioden D₁ und D₂ wirkt. Ein SCR liegt parallel zum Kondensator C₁ und der Primärspule P und ist normalerweise nichtleitend, um die Aufladung des Kondensators C₁ durch die Spule 28 zu ermöglichen. Wenn jedoch ein geeignetes positives Potential an die Gitterelektrode der SCR angelegt wird, wird sie leitend und ermöglicht die Entladung des aufgeladenen Kondensators C₁ über die Spule P des Aufwärtstransformators SP zur Induktion einer Hochspannung in der Sekundärspule S, die die Zündkerze C zündet und damit auch das brennbare Gemisch im Zylinder der Maschine,¹ Die Ladespule 28 Ist über den Widerstand R- geerdet, um den Ladekreis für den Kondensator C zu vervollständigen.

Um den geeigneten positiven Spannungsimpuls an die Gitterelektrode der SCR anzulegen, sind Auslösespulen 30 und (vergleiche Fig. 1 und 3) vorgesehen, die beide an die Gitterelektrode von SCR angeschaltet und mit einer Seite geerdet sind, wie sich auch aus der Zeichnung entnehmen läßt. Die"Anfahr"-Auslösespule 30 weist annähernd fünf Hai so viele Wicklungen auf wie die "Lauf"-Auslösespule 30, so daß bei niedrigeren Drehzahlen des Rotors 36 die in den beiden Spulen erzeugten Spannungen proportional und so ausgelegt sind, daß bis zum Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl des Rotors 36 die in der "Lauf"-Auslösespule 32 erzeugte Spannung unter (Stellung 2 bis 3) der Spannung liegt, die erforderlich ist, um SCR zu zünden, während die in der

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"Anfalir"-Auslösespule 30 erzeugte Spannung ausreichend hoch ist, um SCR zu zünden, jedoch nicht die richtige Polarität aufweist, die negativ statt positiv ist, wie es für das Zünden von SCR erforderlich wäre. Dies läßt sich deutlich aus der Darstellung nach Fig. 4 entnehmen. Die Zündspannung P für SCR ist gestrichelt als positive Spannung in der graphischen Darstellung für die "Anfahr"- und "Lauf"-Auslösespulen wiedergegeben. In der 1-2-Stellung, wobei die vorlaufende Magnetgruppe 4OA gerade die Ladespule 28 auf dem Pol Nr. 1 in Fig. 1 passiert hat, wird der positive Ladeimpuls A am Kondensator C. gespeichert, wie oben angegeben, der nunmehr in der Lage ist, die Prinärspule P des Aufwärtstransformator SP vor den Pol lir. 1 zu erregen.Der negative Impuls IT in der "Anfahr"-Auslösespule 30 weist die falsche Polarität auf, während der positive Impuls B in der "Lauf"-Auslösespule 32 zu niedrig ist, um die gewünschte Auslösespannung F für SCR zu erreichen, so daß SCR nichtleitend wird und ε.η der Zündkerze G kein Zündfunke entsteht.

Wenn die vorlaufende Ilagrietgruppe 40A nach Fig. 1 die 3-4-Stellung durch Vorrücken um v/eitere dreißig mechanische Grade (entspricht 180 elektrische Grade) erreicht entsteht ein positiver Impuls Q in der "Anfahr"-Auslösespule 30, der ausreichend hoch in seiner Spannung ist, um SCR zu zünden, die dann leitend wird und den Kondensator C^ über die Primärspule P entlädt, um eine Hochspannung in der Sekundärspule zu induzieren, die zu einem Zündfunken an der Zündkerze G führt. Der gleichzeitig in der "Lauf"-Auslösespule 32 erzeugte Impuls W ist negativ und hat deshalb zum Zünden von SCR die falsche Polarität.

Wenn die Drehzahl des Rotors 36 zunimmt und einen vorbestimmten Wert erreicht, dann nimmt die Spannungsamplitude des Impulses B in der "Lauf"-Auslösespule 32 zu, bis die Spannung des Impulses B' ausreicht, um SCR zu zünden, was annähernd 30° später auftritt, wodurch der Funken an der Zündspule G um diesen Betrag vorrückt. Dies erfolgt an der Station 2-3 des Stators 20, was die Normaleinstellung

des Funkens an der Zündkerze G für Normalbetrieb der Maschine

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ist. !lach diesem anfänglichen Funken bleibt SCR im leitenden Zustand, bis die 8-9 Station durch die vorlaufende I'iagnetgruppe 40A erreicht ist, wobei Auslöseimpulse auf die Gitterelektrode von SCR sowohl durch die "Anfahr"- als auch die "Lauf"-Auslösespulen 30 und 32 aufgebracht werden, wie man aus Fig. 4 erkennt, Die Ladeimpulse der Ladespule werden durch den leitenden Zustand von SCR kurzgeschlossen und enden in der Stellung 7-8 und erscheinen nicht wieder, bis die neue 1-2-Stellung durch die vorlaufende Magnetgruppe 40A erreicht ist. Dies geht zurück auf das Fehlen einer magnetischen Erregung durch das nicht magnetische Gegengewicht 42, welches wenigstens 60 mechanische Grade des Rotors 36 überspannt, Diese Hichterregung für wenigstens CO Grade des Rotors beeinflußt auch die Auslösespulen 30 und 32, wie man deutliche aus Fig. 4 erkennt, wonach kein Impuls irgendeiner Art in der Stellung 11-12 erzeugt wird, wo es sich um eine Regenerationsperiode für den Zündkreis handelt, die erlaubt, daß alle Elemente inaktiv werden, insbesondere SCR, welche in den nichtleitenden Zustand zurückkehrt. Dies wird sichergestellt durch den Widerstand R- im Zusammenhang mit der Diode D₅ und dem Widerstand R/, welcher eine negative Vorspannung an SCR vor einem neuen Aufladezyklus liefert. Die Diode D. ist eine Zener-Diode und hindert kleine Aufladeimpulse am Aufladen des Kondensators C^, was beim Entladen zu "WiId"-Zündungen führen könnte. Der Widerstand R,. reguliert die Ladespannung zum Kondensator C, und hält sie während Uormalbetrieb -konstant, insbesondere bei Verwendung im Zusammenhang mit der Diode D^. Die Kombination vermeidet die Uotwendigkeit einer aufladenden Leintungszenerdiode.

Der geschilderte Zündkreis liefert beim Arbeiten in der geschilderten Weise eine Zündung pro Umdrehung, jedoch kann man nit Abänderungen und Auswahl geeigneter Orte der Erregermagnete und zusätzlicher Auslösespulen zwei oder rif-Lr Zündungen pro Umlauf erzielen. Es ist wichtig, daß vcnigsteiiG eine Erliolungsperiode während eines Umlaufs vorgesehen wird, in welcher keine Impulrc in der Aufladecpule oder in den Auslösespulen erzeugt worden_v Unmittelbar nach der i.;rliolungsperiode beginnt ein neuer Zyklus

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durch Aufladen des Kondensators CL mit einem neuen Aufladeimpuls durch die Spule 28 in der oben beschriebenen Weise.

Die "Lauf "-Auslösespule 32 ist an die Gitterelektrode von SCR über den veränderlichen Widerstand R₀ und über den

Widerstand R₇ angeschaltet, wobei ein dritter Widerstand Rg an die Verbindungsstelle der beiden zuerst genannten Widerstände angeschlossen ist. Sin Widerstand R₁- nit negativer Temperatureharakteristik verbindet die andere Seite des Widerstandes Rg mit Hasse wodurch man eine Arbeitsj;emperaturkompensationssteuerung für die Zündseiten von SCR durch Einstellen des veränderlichen Widerstandes Rq erhält, Die Auslösespulen 30 und 32 sind beide an die Gitterelektrode von SCR im allgemeinen parallel zueinander angeschaltet.

Folgende Werte für den Zündkreis nach Fig. 3 haben sich als erfolgreich herausgestellt:

Ladespule 28 Anfahr-Auslösespule 30 Lauf-Äuslösespule 32 Kondensator C^ Widerstand R₁ Widerstand R₀ Widerstand R₇ Widerstand R₇, Widerstand R₁-

Widerstand Rg Widerstand R₇ Widerstand R₀

Diode D„

5500 Windungen Draht Ur. 40 1500 !/indungen Draht Ur. 35 300 Windungen Draht Nr. 35 0.68 Microfarad
300 0hm 5 Watt
33 0hm 3 ?iatt
33 Olim 1/2 Watt 6.8 Kilo-Ohm 1/4 Watt

negativer Temperatur! oeffizient 2D104

130 Olim 1/4 Watt 560 0hm 1/4 Watt

veränderlich 2,2 Kilo-Ohm 1/2 Watt

2äier-Diode 30 Volt 2 Watt

Selbstverständlich sind die angegebenen Werte und auch die im einzelnen beschriebenen Ausfülinrngsformen lediglich Λιη» führungsbeispiele, die den Ralinien der■ ürfindung nicht einscliränlien» ■

-l'atentansprüche: -

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Claims

Patentansprüche

Schwimgrad-Wechselstromgenerator, gekennzeichnet durch einen in .gleichmäßigen Abstand über seinen Umfang feste Pole (26) tragenden Stator (20); einen von der den Generator tragenden Maschine angetriebenen Rotor (36) mit im Abstand angeordneten, mit den festen Polen (26) des Stators (20) zusammenwirkenden, Leistungsspulen (34) tragenden Pormanentmagnetgruppen (40), die sich über einen vorbestimmten Iiinkelbereich erstrecken und alle Pole mit Leistungsspulen (34) mit Ausnahme von drei Polen zur Erzeugung elektrischer Leistung magnetisch erregen;

ein Kondensatorentlade-Zündsystem für die Maschine mit einem Kondensator^), einen Aufwärtstransformator (SP) und einem Festkörperschalter (SCR) mit einer Anode, einer Kathode und einer Gitterelektrode; eine Aufladewicklung auf dem ersten der drei Pole in Richtung der Rotordrehung auf dem Stator zur Erzeugung eines Impulses zur Speicherung elektrischer Energie im Kondensator (CL);

eine Auslösewicklung (30) auf dem letzten der drei Pole auf dem Stator zur Auslösung der Gitterelektrode, um einen leitenden Zustand in dem Festkörperschalter (SCR) zu erzeugen;

wobei die im Kondensator (C^) gespeicherte elektrische Energie über die Primärwicklung (P) des Aufwärtstransformators (SP) entladen wird und einen Hochspannungsimpuls zur Zündung einer Zündkerze in der Maschine erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Auslösewicklung aus zwei in entgegengesetzter Phase geschalteten Spulen (30, 32) besteht, wobei ein Voreilauslöseimpuls bei einer bestimmten Maschinengeschwindigkeit erzeugt wird, um die Auslösung der Gitterelektrode des Festkörperschalters und damit die Kerzenzündung der Maschine vorzurücken.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Erholungsperiode für jeden Umlauf des Rotors während der kein. Auflade- oder Auslöseimpuls durch die auf den drei aufeinanderfolgenden Polen des Stators sitzenden Wicklungen erzeugt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Gitterelektrode des Festkörperschalters durch die Auslösewicklungen auf dem Letzten der drei Pole ausgelöst wird, so daß der leitende Zustand des Festkörperschalters über den gesamten Umlauf mit Ausnahme der Erholungsperiode vor dem ersten Auslöseimpuls aufrecht erhalten wird.
5. Wechselstromgenerator zur Erregung sowohl des Zündkreises als auch der Leistung verbrauchenden Kreise einer Maschine, gekennzeichnet durch einen Stator mit im Abstand angeordneten Polen und darauf sitzenden Wicklungen, durch einen Rotor mit ungleichmäßigen Abstand aufweisenden Permanentmagnetgruppen zum Zusammenwirken mit dem Stator und zur Erzeugung elektrischer Leistung in ausgewählten Wicklungen auf den ausgewählten Statorpolen für die leistungsverbrauchenden Kreise, zur Erzeugung von Leistungsimpulsen in vorgewählten Wicklungen auf wenigstens einem anderen Statorpol zur Erregung eines Zündkreises und zur Erzeugung von Zeitimpulsen in vorgewählten Wicklungen auf wenigstens einem anderen Statorpol zur Steuerung der Zeitfolge des Zündfunkens im Zündkreis der Maschine, wobei die ausgewählten Statorpole mit ihren entsprechenden Zünderreger- und Zeitwicklungen so bezüglich der ungleichmäßigen Abstand aufweisenden Permanentmagneten angeordnet sind, daß eine Erholungsperiode für jeden Umlauf des Stators entsteht, während der kein Zünderreger oder Zeitimpuls erzeugt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch■5, dadurch gekennzeichnet , daß der Leistungsimpuls im Zündkreis unmittelbar nach der Erholungsperiode auftritt.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurcli gekennzeichnet , daß der Zeitimpuls für den Zündkreis zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Leistungsimpuls zum Zündkreis auftritt.
0. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Zeitimpuls automatisch zu einem vorgerückten Zeitpunkt bei einer vorbestimmten Drehzahl der Maschine auftritt,
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur Erregung und Steuerung eines Kondensatorentlade-Zündkreises, g e k e η η ζ e i c hue t durch ein stationäres magnetisches Glied mit drei im Abstand angeordneten Polvorsprüngen in einem magnetischen Kreis, ein drehbares Glied mit Peraanentmagnetgliedem in Unfangsabstand, die mit de:: stationären Magnetglied zusammenwirken, eine Erregerspule auf dem ersten Polvorsprung zur Aufladung des Kondensators des Zündkreises bei magnetischer Erregung durch das drehbare Glied, einen Aufwärtstmisformator für den Zündkreis, dessen Seloindär\-iicklung an eine oder mehrere Zündkerzen angeschlossen ist und dessen Primärv/icklung im Kreis mit dem Kondensator liegt, eine SCR im Kreis mit der Primärwicklung der Spule und dem Kondensator mit einer Steuerelektrode, die bei Erregung mit einem elektrischen Impuls die SCR von einem niedrig leitenden Zustand in einen hochleitenden Zustand überführt, wobei der Kondensator über die Primärwicklung entlädt und einen Zündfunken an der Zündkerze verursacht, ein Paar von Spulen auf dem Letzten der Polvorsprünge des stationären Gliedes, die mit der Steuerelektrode der SCR zusammenwirken und so angeordnet sind, daß ein Impuls zur Steuerelektrode für das Anfahren bei verhältnismäßig geringer Drehzahl und ein Impuls zur Steuerelektrode für das Fahren mit vorgerückter Zeitschaltung bei vorbestimmter Drehzahl des umlaufenden Gliedes entsteht.

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