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Kollektorloser Gleichstrommotor (Zusatz zu Patentanmeldung P 22 25
442.8) Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen
Rotor, welcher Motor eine im Betrieb ein Lücken aufweisendes Antriebsmoment erzeugende
Wicklung und Mittel zum Speichern von magnetischer Energie zur Oberwindung dieser
Momentenlücken aufweist, nach Patentanmeldung P 22 25 442.8 vom 25.5.1972.
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Die Erfindung nach dem Hauptpatent vereinfacht den Aufbau von kollektorlosen
Gleichstrommotoren und der zugehörigen Schaltung ganz wesentlich. Z. B. benötigt
der in der Siemens-Zeitschrift 1966, Seiten 690 bis 693 beschriebene Motor zum Erzeugen
eines Drehfelds vier getrennt ansteuerbare Wicklungen, zu deren kontaktlosen Ansteuerung
man zwei Hallgeneratoren und wenigstens vier Leistungstransistoren benötigt. Nach
der Erfindung benötigt ein solcher Motor z. B. nur zwei Stranghälften,einen einzigen
Hallgenerator und zwei Leistungstransistoren Verwendet man bei solchen Motoren eine
Drehzahiregelung,so ist dan 1 es wichtig, daß der Stro m den Wicklungen möglichst
genau ug eführt wird, wenn die in den Wicklungen durch den permanentmagnetischen
Rotor induzierten Spannungen jeweils ihr Maximum haben, d. h. wenn Stator- und Rotor-Pole
etwa um 90 elektrisch gegeneinander versetzt sind. Im Interesse eines guten Wirkungsgrades
und eines gleichmäßigen Laufes sollte der Strom in den Wicklungen möglichst nur
in den Zeitbereichen um diese Punkte-herum fließen, d. h. der Strom fließt in einem
solchen Fall jeweils nur während eines relativ kleinen Prozentsatzes einer Rotorumdrehung,
und man erhält deshalb große Momentenlücken, die nach der Lehre des
Hauptpatents
durch das Reluktanzmoment gefüllt werden müssen, damit man an der Motorwelle ein
gleichmäßiges Moment zum Antrieb eines anzutreibenden Gerätes erhält.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich also mit der Erzielung eines
solchen gleichmäßigen Moments, insbesondere bei geregelten Antrieben.
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Erfindungsgemäß geht man zu diesem Zweck bei einem eingangs genannten
kollektorlosen Gleichstrommotor so vor, daß bei einem Motor mit zylindrischem Luftspalt
(Innen- oder Außenläufermotor) der Luftspalt über dem Pol bogen in Drehrichtung
gesehen,vom Anfang des Polbogens ausgehend, jeweils zunächst über einen ersten Winkel
bis zu einem Maximum, vorzugsweise monoton, zunimmt und danach - ebenfalls vorzugsweise
monoton - wieder abnimmt. Auf diese Weise gelingt es, den gewünschten Momentenverlauf
des Reluktanzmoments relativ zum von den Wicklungen erzeugten elektromagnetischen
Antriebsmoment zu erhalten.
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Mit besonderem Vorteil wird der Motor dabei so ausgebildet, daß der
Luftspalt in Drehrichtung gesehen, ausgehend von dem Maximum über einen zweiten
Winkel hinweg bis zu einem Minimum - vorzugsweise monoton - abnimmt, und daß dieses
Minimum um einen dritten Winkel vor dem Ende des Polbogens liegt.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen
ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines in erfindungsgemäßer
Weise ausgebildeten zweipoligen Außenläufermotors und der zugehörigen Schaltelemente,
Fig.
2 eine Abwicklung des Luftspaltverlaufs über dem oberen Polbogen des Motors nach
Fig. 1, Fig. 3 eine Regelschaltung fur eine Drehzahlregelung des Motors nach Fig.
1, Fig. 4 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines nach der Lehre
der Erfindung ausgebildeten zweipoligen Innenläufermotors und Fig. 6 eine schematische
Darstellung eines Ausführungsbeispiels nach der Lehre der Erfindung ausgebildeten
vierpoligen Aussenläufermotors.
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Gleiche oder gleichwirkende Teile werden im folgenden in den einzelnen
Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Fig. 1 zeigt einen Außenläufermotor 10 mit einem äußeren permanentmagnetischen
zweipoligen Rotor 11, dessen Magnetisierung etwa sinus- oder trapezförmig ausgebildet
ist und der sich im Betrieb in Richtung eines Pfeiles 12 dreht. Der Rotor 11 ist
in seiner Ruhelage dargestellt, also in seiner Startstellung, die im wesentlichen
durch die Geometrie des magnetischen Kreises bestimmt ist.
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Der Stator 13 des Motors 10 ist als Doppel-T-Anker mit einem oberen
Pol 14 und einem unteren Pol 15 ausgebildet, welche beide etwa die Umrißform eines
Regenschirms haben, also jeweils fast den gesamten Polbogen umspannen, und welche
zwischen sich zwei Nuten 16 und 17 einschließen, in denen zwei in Reihe geschaltete
Wicklungshälften 18 und 19 einer einsträngigen Wicklung angeordnet sind, deren Mittelanzapfung
an einen Pluspol 20 geführt ist und deren freie Enden mit 23 bzw. 24 bezeichnet
sind. Ein Hallgenerator 25 (oder ein äqivalentes Kommutierglied)
ist
an der oeffnung der Nut 17 am Stator 13 angeordnet.
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Der Luftspalt 26 über dem Pol 14 und der Luftspalt 27 über dem Pol
15 sind erfindungsgemäß jeweils in besonderer Weise ausgebildet. (Dabei kommt es
naturgemäß nur auf die wirksame Luftspaltgröße an den einzelnen Stellen an, d. h.,
daß z. B. ein aus verschiedenen, an den einzelnen Stellen ungleiche Durchmesser
aufweisenden Blechen geschichteter Stator an den einzelnen Stellen seines Umfangs
jeweils eine gemittelte Spaltgröße entsprechend der Erfindung haben muß.) Fig. 2
zeigt eine Abwicklung des oberen Luftspalts 26, der punktsymmetrisch zum unteren
Luftspalt 27 verläuft. In Fig. 2 ist oben der Rotor 11 und unten der Stator 13 dargestellt,
also ein Pol bogen von 180 elektrischen Graden. Ausgehend von der Nut 16 nimmt der
Luftspalt 26 über einem ersten Winkel alpha (z. B.
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10 bis 500 elektrisch) monoton bis zu einer Stelle 30 zu, an der der
Maximalwert d2 des Luftspalts 26 erreicht wird. Von da an nimmt der Luftspalt 26
über einem zweiten Winkelbereich beta (z. B. 80 bis 1600 elektrisch) monoton ab
bis zu einer Stelle 31, an der der Minimalwert d1 des Luftspalts 26 erreicht wird.
Diese Stelle 31 liegt um einen dritten Winkel gamma (10 bis 500 elektrisch) vor
der Nut 17. Von der Stelle 31 aus nimmt der Luftspalt 26 bzw. der an ihn anschließende
Luftspalt 27 - mit Ausnahme der Unterbrechung durch die Nut 17 - über einen vierten
Winkel delta (z.B. 20 bis 1000 elektrisch) hinweg wieder monoton bis zur Stelle
30 hin zu. Der Stator 13 hat also im Querschnitt etwa die Form einer Elipse, deren
Hauptiachse 32 unter einem Winkel epsilon von vorzugsweise etwa 40 bis 800 elektrisch
zu der durch die beiden Pole 14 und 15 verlaufenden Achse 33 verläuft.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise ist es zweckmäßig, sich den Stator
13 idealisiert vorzustellen, also ohne Nuten 16 und 17 und es ist ferner zweckmäßig,
sich z. B. an einer Stelle 35 einen konzentrierten Magnetpol, z. B. einen Nordpol,
zu denken. Dieser
konzentrierte Pol 35 wird in Fig. 2 in der Ruhelage
die dort eingezeichnete Stellung einnehmen, in der der ihm gegenüberliegende Luftspalt
am kleinsten ist. Verdreht man nun den Pol 35 in Richtung des Pfeiles 12, so benötigt
man hierzu Energie, da sich der Luftspalt vergrößert, der dem Pol 35 gegenüberliegt.
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Dieses Antriebsmoment wird im Betrieb - etwa im Winkelbereich delta
- vom Strom in der Wicklung 18 oder 19 erzeugt.
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Nach Vorbeilaufen an der Stelle 30 verringert sich der Luftspalt wieder,
welcher dem Pol 35 dann gegenüberliegt, d. h. nun wird der Rotor 11 von einem Reluktanzmoment
angetrieben und die im magnetischen Kreis 10 gespeicherte magnetische Energie wird
wieder abgegeben, so daß während dieser Zeit kein elektromagnetisches Moment vorhanden
sein muß. Dies geht solange, bis der Punkt 31 erreicht ist. Ab hier wiederholt sich
der beschriebene Vorgang.
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Da in der Praxis kein konzentrierter Magnetpol 35 vorkommt, sondern
die beiden Pole des Rotors 11 z. B. eine sinusförmige oder eine trapezförmige Magnetisierung
haben, entspricht der Verlauf des Reluktanzmoments nicht dem Verlauf des Lustspalts.
Man kann sich die beiden Magnetpole des Rotors 11 jeweils durch über den Rotorumfang
verteilte verschieden starke konzentrierte Magnetpole ersetzt denken. Oberlagert
man die von diesen konzentrierten Polen jeweils erzeugten Momente, so erhält man
die tatsächliche Moientenkurve, die also sowohl von der Art der Magnetisierung des
Rotors 11 wie vom Luftspaltverlauf bestimmt ist. In der Praxis wird man die zweckmäßigste
Dimensionierung der Winkel alpha bis delta sowie die Größe von d1 und d2 am einfachsten
durch Vrsuche feststellen.
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Zum Steuern des Stromes in den Wicklungen 18 und 19,abhängig von der
Lage der Pole des Rotors 11, dient der Hallgenerator 25, dessen einer Steueranschluß
über einen Widerstand 36 mit dem Pluspol 20 verbunden ist, während sein anderer
Steueranschluß mit einer Minusleitung 37 einer Gleichspannungsquelle (z. B.24 V)
verbunden
ist. Die beiden Ausgänge des Hallgenerators 25 sind mit den Basen zweier npn-Transistoren
38 und 39 verbunden, deren Emitter mit der Minusleitung 37 verbunden sind, während
der Pol lektor des Transistors 38 mit dem Anschluß 24 und der Kollektor des Transistors
39 mit dem Anschluß 23 der Wicklungen 18 bzw. 19 verbunden ist. Auf diese Weise
wird beim Vorbeilaufen der Pole des Rotors 11 am Hallgenerator 25 jeweils während
eines bestimmten Winkelbereichs der eine oder der andere Transistor eingeschaltet.
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Normalerweise ist bei einer ungeregelten Schaltung, wie sie in Fig.
1 dargestellt ist, der Einschaltwinkel der Transistoren 38 und 39 relativ groß.
Bei einer Regelung ist man deshalb bestrebt, diesen Stromwinkel zu verkleinern und
den Strom in den Wicklungen 18 und 19 nur in einem relativ kleinen Winkelbereich
fließen zu lassen. Diesem Zweck dienen die Schaltungen nach den Patentanmeldungen
P 22 52 727, P 22 52 728.2, (beide vom 27.10.72) und die Schaltung nach der Patentanmeldung
gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wird.
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Fließt der Strom nur in einem kleinen Winkelbereich, so muß das Reluktanzmoment
in einem großen Winkelbereich wirksam werden, um die Monentenlücken des elektromagnetischen
Moments voll auszufüllen.
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Fig. 3 zeigt eine solche Regelschaltung. An die Anschlüsse 24 und
23 der beiden Wicklungen sind zwei Dioden 68 bzw. 69 ange- -schlossen, deren Kathoden
mit einer Leitung 70 verbunden sind, an der man im Betrieb eine wellige Spannung
u70 erhält, deren Amplitude der Drehzahl des Rotors 11 proportional ist, wie das
US-PS 2 704 334 bei solchen-Motoren bekannt ist.
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Der Widerstand 36 (Fig. 1) ist hier ersetzt durch einen Widerstand
83 in Serie mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 84.
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85 Die Spannung u70 wird einer phasenschiebenden Siebkette/zugeführt,
und zwar über einen Spannungsteiler mit einem Potentio-
meter 86 und einem damit in Reihe liegenden NTC-Widerstand 87,
welch' letzterer zur Kompensation der temperaturabhängigen remanenten Induktion
des Rotors 11 dient, welche Induktion mit steigender Temperatur abnimmt.
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Die phasenschiebende Siebkette 85 besteht beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus drei in Reihe geschalteten R-C-Gliedern, von denen das erste gebildet wird von
den Widerständen 86, 87 und einem Kondensator 88, das zweite von einem Widerstand
89 und einem Kondensator 90, und das dritte von einem Widerstand 93 und einem Kondensator
94. Zwischen dem Kondensator 88 und-dem Kondensator 90 liegt eine Zener-Diode 95,
deren Anode über einen Widerstand 96 mit der Minusleitung 37 verbunden ist. Diese
Zenerdiode bewirkt, daß das Potential am Punkt 70, welches im Betrieb positiver
ist als das Potential an der Plusleitung 20, um einen konstanten Betrag in negativer
Richtung verschoben wird, so daß das Potential an der Anode der Zenerdiode 95 kleiner
ist als das Potential der Leitung 20. Eine solche Siebkette bewirkt einmal eine
Phasenverschiebung der Phase der Spannung u70 (Fig. 4) um etwa 1800 , wobei es sich
gezeigt hat, daß die Kondensatoren ziemlich große Toleranzen haben können. Ferner
bewirkt diese Siebkette 85 eine Glättung der stark welligen Spannung u70, so daß
man an dem in Fig. 3 mit 97 bezeichneten Ausgang der Siebkette 85 eine Spannung
u97 erhält, wie sie in Figur 4 dargestellt ist. Größe und Phasenlage dieser Spannung
u97 sind durch die -Dimensionierung der Siebkette 85 festlegbar.
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Diese Spannung u97 wird der Basis eines pnp-Transistors 100 zugeführt,
dessen Emitter an der Plusleitung 20 liegt, während sein Kollektor über einen Widerstand
101, einen Knotenpunkt 102 und einen Widerstand 103 mit der Minusleitung 37 verbunden
ist.
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Der Punkt 102 ist mit der Basis des Transistors 84 verbunden.
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Wie man ohne weiteres erkennt, bewirkt ein Negativwerden des Punktes
97 gegenüber der Plusleitung 20, daß der Transistor 100
und mit
ihm auch der npn-Transistor 84 leitend werden. Da die Spannung u97 eine relativ
geringe Welligkeit haben kann, kann man den Ein- und Ausschaltvorgang sehr "weich"
machen, wodurch sich die in Fig. 4 in der dritten Reihe von oben dargestellte Form
des Stromes in den Motorwicklungen 18 und 19 ergibt. Man erhält hierdurch einen
ruhigen Lauf des Motors, sehr geringe Funkstörungen und niedrige Spannungsspitzen
beim Abschalten.
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Der Wirkungsgrad ist sehr gut, da die Wicklungen, wie dargestellt,
gerade im Spannungsmaximum Strom erhalten. Falls der Ein- und Ausschaltvorgang schnell
verlaufen soll, um Verluste in den Transistoren 38 und 39 zu vermeiden, kann dies
ebenfalls durch entsprechende Bemessung der Siebkette 85 erreicht werden.
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Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt: Wenn die Drehzahl des
Motors 10 unterhalb der am Potentiometer 86 eingestellten Soll-Drehzahl liegt, hat
die induzierte Spannung U70 einen relativ kleinen Wert, und deshalb ist auch der
in Fig.4 mit um bezeichnete Gleichspannungsanteil der geglätteten und phasenverschobenen
Spannung u97 relativ klein, so daß der Transistor 100 fast ständig an seiner Basis
ein Potential erhält, das negativer ist als das Potential der Leitung 20. Deshalb
sind der Transistor 100 und mit ihm der Transistor 84 ständig oder fast ständig
leitend, so daß die Kommutierung des Ankerstromes von der Wicklung 18 zur Wicklung
19 oder umgekehrt durch den Hallgenerator 2# bewirkt wird. Beim Erreichen der Soll-Drehzahl
wird der
Gleichspannungsanteil um so groß, daß die Basis des Transistors 100 teilweise positiver
wird als sein Emitter. Während dieser Zeit sind die Transistoren 100 und 84 gesperrt,
und der Hallgenerator 25 kann keine Hallspannung erzeugen, so daß auch die Transistoren
38 und 39 gesperrt bleiben. Erst wenn durch die Welligkeit der Spannung u97 die
Basis des Transistors 100 negativ relativ zum Emitter wird, wird dieser Transistor
leitend und mit ihm der Transistor 84, so daß der Hallgenerator 25 Strom erhält
und je nach dem augenblicklichen magnetischen Feld vom Rotor 11 entweder der Transistor
38 oder der Transistor 39 eingeschaltet
wird. Man erhält dann z. B. Stromkurven, wie sie in Fig. 4 in
der- dritten Reihe von oben dargestellt sind. Der Hallgenerator 25 wirkt hierbei
also praktisch als UND-Glied, das heißt er bewirkt eine logische Verknüpfung der
durch die Richtung des magnetischen Flusses vom Rotor 11 gegebenen Information mit
der vom Transistor 100 kommenden Information.
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Steigt die Drehzahl noch weiter an, so werden die Transistoren 100
und 84 praktisch ständig gesperrt und dem Motor 10 wird überhaupt keine Energie
mehr zugeführt, so daß seine Drehzahl wieder sinkt.
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Mit einer solchen Regelung wird also die Breite und / oder Stärke
Strompulse beeinflußt. Man erhält auf diese Weise eine aus-
gezeichnete Regeldynamik und einen schnellen, überschwingfreien Hochlauf des geregelten
Motors. Der Wirkungsgrad ist sehr gut, da die Stromimpulse in den Wicklungen 18
und 19 die richtige Phasenlage relativ zur induzierten Spannung u70 haben.
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Die Ströme i38 und i39 in den beiden Wicklungen 19 bzw. 18 erzeugen
am Rotor 11 ein elektromagnetisches Antriebsmoment Mel, dessen Verlauf in Fig. 4
in der vierten Reihe von oben mit strichpunktierten Linien dargestellt ist. Dieses
Moment weist ersichtlich große Lücken auf, und in diesen Lücken wird das durch die
eingangs beschriebenen Maßnahmen erzeugte Reluktanzmoment Mrel wirksam, dessen Verlauf
ebenfalls in Fig. 4,ebenfalls in der vierten Reihe von oben dargestellt ist. Durch
die dargestellte Luftspaltform wird nun erfindungsgemäß erreicht, daß Mei und Mrel
etwa spiegelbildlich zueinander verlaufen, und daß vor allem das Reluktanzmoment
in den Lücken des elektromagnetischen Moments Mehl, also z. B. zwischen den Zeitpunkten
t1 und t2 in Fig. 4 einen im wesentlichen konstanten Verlauf hat. Dies ist deshalb
wichtig, weil man nur so ein praktisch konstantes Abtriebsmoment über dem gesamten
Drehwinkel erreichen kann.
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Addiert man die beiden Momente Mel und Mrel so erhält man das in
Fig. 4 in der untersten Reihe dargestellte Gesamtmoment Mg, das,
wie dargestellt, bei geeigneter Bemessung des Motors im Wesentlichen konstant ist.
Dieses Gesamtmoment ist sozusagen in den Motor einprogrammiert, das heißt, ein solcher
Motor kann zum Antrieb eines Geräts dienen, das ein Antriebsmoment in dieser Grössenordnung
benötigt, also z. B. für einen Lüfter, einen Drucker, einen Antriebsmotor eines
Tonbandgeräts oder eines Plattenspielers etc. Wie man aus Fig. 3 erkennt, ist der
Aufwand für einen drehzahlgeregelten Motor dieser Art außerordentlich gering.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen schematisch noch zwei andere Ausführungsbeispiele
von Motoren nach der Erfindung, welche ebenfalls mit der Schaltung nach Fig. 3 im
drehzahlgeregelten Betrieb betrieben werden können. Fig. 5 zeigt einen zweipoligen
Innenläufermotor 110, bei welchem die beiden Luftspalte 111 und 112 in der Abwicklung
gleich verlaufen wie bei der Darstellung nach Fig. 2.
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Fig. 6 zeigt einen vierpoligen Außenläufermotor 115, bei welchem vier
Luftspalte 116, 117, 118 und 119 vorgesehen sind, welche in der Abwicklung den Verlauf
nach Fig, 2 haben. Der Stator 13 hat deshalb dort die Querschnittsform eines Kreises,
welcher an vier gleichmäßig verteilten Stellen seines Umfanges Abflachungen aufweist,
wobei natürlich in der Praxis diese Abflachungen
klein sein können und ebenso wie bei den anderen Figuren nur aus Gründen der Anschaulichkeit
übertrieben groß dargestellt sind.
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Diese vier Abflachungen liegen jeweils im Raum zwischen den Nuten
120 bis 123. Auch in den Figuren 5 und 6 ist jeweils die Lage des Hallgenerators
25 angedeutet, der auch dort jeweils in einer Pollücke des Stators angedeutet ist.