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Elektromotor Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit
einem Rotor, der sine aus weichmagnetischem material hergestellte Rotorscheibe aufweist,
an deren Umfang eine Anzahl von Rotor-Polen im gleichen Abstand voneinander angeformt
sind. Der motor ist ferner mit einem Paar Statorpolgruppen ausgebildet, die aus
PovorsprUngen bestehen, die kleine Luftspalten gegenüber den Rotorpolen bilden,
zu denen sie konzentrisch mit gleicher Polteilung liegen, wobei die Statorvorrichtung
eine zur Erregung der Statorpolgruppen auf entgegengesetzte
Polaritäten
dienende Spule aufweist.
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Ein solcher Elektromotor ist Gegenstand der älteren deutschen Patentanmeldung
P 23 59 539.
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Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Motor, bei welchem
die Druckbelastung, die nach dem Stand der Technik in axialer Richtung im Rotor
auftritt, im wesentlichen beseitigt ist.
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Um diesen Zweck zu verwirklichen, sind nach der Erfindung permanentmagnetische
Mittel eng benachbart zum Rotor auf dem Stator angeordnet, um die Statorpolgruppen
auf ein und dieselbe Polarität zu magnetisieren, so daß dadurch die zugehörigen
Rotorpole entgegengesetzt polarisiert werden.
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Gemäß einem weiteren merkmal der Erfindung werden die zugehörigen
Rotorpole mit Hilfe der Statorpolgruppen magnetisiert, und ein am Rotor befestigtes
weichmagnetisches Element wird durch ein Joch auf entgegengesetzte Polarität magnetisiert.
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Die Erfindung siehb ferner vor, daß ein Paar Statorelemente mit einer
Phasendifferenz, welche elektrisch einem Winkel von 900entspricht, um den Rotor
angeordnet sind, um ein richtungsmäßiges Anfahren zu gewährleisten.
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Weitere Vorzüge und merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung
im Vergleich zum Stand der Technik ausführlich erläutert und dargestellt ist.
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Es zeigen Fig. 1 bis 3 bekannte Rotor- und Stator-Anordnungen, Fig.
4 vereinfacht eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
motors, Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie V-V der Fig. 4, Fig. 6
eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII der Fig. 6, Fig. 8 eine dritte Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX der Fig.6, Fig. 10 u.
11 Teildarstellungen der Ausführungsform nach Fig.B, Fig. 12 u. 13 eine Ansicht
bzw. Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 14
die obere und untere Statorpolreihe der Ausführungsform nach Fig. 12 und 13 vereinfacht
als abgewickelten Plan.
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Ein üblicher motor, etwa wie in der US-PS 3 469 131 beschrieben, ist
in Fig. 1 vereinfacht dargestellt, wobei der Rotor oder Läufer R mit zwei mechanisch
parallelen Rotorscheiben ausgestattet ist, die voneinander durch eine permanentmagnetische
Scheibe
2 getrennt sind. Die Scheibe 2 ist als Schic*-verbund mit bzw. zwischen den Rotorscheiben
angeordnet und polarisiert diese auf entgegengesetzt magnetische Polaritäten.
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Obwohl im einzelnen nicht dargestellt, ist jede der Rotorscheiben
1, 1' auf ihrem Umfang mit einer bestimmten Anzahl von im gleichen Abstand liegenden,
radial vorspringen Polen ausgebildet, ähnlich, wie bei 5' in Fig. 2 dargestellt.
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Bei dem in Fig. 2 und 3 gezeigten, bekannten Beispiel ist ein L-förmiger
Permanentmagnet 3 mit einem Stator gekoppelt, um so die Rotorscheibe 5all, die auf
ihrem Umfang mit Vorsprüngen 5' ausgebildet ist, auf eine bestimmte, einheitliche
Polarität zu magnetisieren.
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Sei dem in Fig. 1 gezeigten motor muß die als Permanentmagnet ausgebildete
Scheibe 2 geringer Dicke mit äußerster Präzision hergestellt sein, da dieser magnet
zwischen den Rotorscheiben 1, 1' aus weichmagnetischem material so angeordnet werden
soll, daß die für den motor wichtige Genauigkeit und Ausgewogenheit erzielt wird.
Andererseits kann besonders hochwertiges magnetisches Material nur mit großen Schwierigkeiten
spanabhebend bearbeitet werden. Daher können Rotoreinheiten dieser Art nicht in
üblicher massenfertigung, sondern nur mit geringer Produktionsleistung hergestellt
werden. Die Phasendifferenz zwischen den Rotorscheiben 1 und 1 muß einen elektrischen
Winkel von genau 1800 bilden, um das gewünschte maximale Drehmoment zu liefern.
Das erfordert wiederum, daß
der Zusammenbau der Rototteile mit sorgfitigster
Kontrolle der Abmessungen und Lggebeziehungen ausgeführt wird. Der Bau des Rotors
selbst ist auch an sich schon kompliziert, wodurch sich weitere Nachteile ergeben,
Falls gewünscht wird, den Permanentmagneten 2 so zu vergrößern, daß die motorleistung
verbessert wird, müssen die schwere Masse und das Trägheitsmoment des Rotors im
Hinblick auf die Schichtverbundanordnung merklich vergrößert werden. Dadurch werden
wiederum die Stabilität und die Starteigenschaften bzw. der Übergang zur stetigen
Drehung des Rotors nachteilig beeinfluDt. Auch kann die Abnutzung der Rotorwelle
sich dadurch entsprechend erhöhen.
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Im Gegensatz dazu wird im Fall des in Fig. 2 und 3 gezeigten bekannten
Motors im Rotor R' aufgrund der magnetisierung, die an einer der Scheibenflächen
des eigentlichen Rotors auftritt, eine axiale Drucklast erzeugt, die durch die abwärts
gerichteten Pfeile 7 veranschaulicht ist. Aufgrund dieser nachteiligen Erscheinung
tritt am Lager 6 des Rotors ein ziemlich hoher Reibungswiderstand auf, der zu einem
entsprechenden Verlust an dem vom Rotor abgegebenen Drehmoment führt. Ferner kann
eine feine Änderung in der Größe des Spaltes g auftreten, der zwischen dem Rotor
R und dem Dauermagneten 3 ausgebildet ist, wobei diese Änderung zu einer entsprechenden
Schwankung im Ausgangs drehmoment des motors führt. Weiter ist die Form und Anordnung
des Dauermagneten 3 äußerst kompliziert, wodurch eine angestrebte
Massenproduktion
eines solchen Rotors beeinträchtigt wird.
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Außerdem ist das Volumen des Permanentmagneten ziemlich groß, verglichen
mit den gesamten baulichen Anforderungen des motors, der daher im Vergleich zu seiner
Leistung entsprechend große GesamtabmEssungen aufweist.
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Diesem Stand der Technik steht ein erfindungsgemäßer motor gegenüber,
dessen bauliche Einzelheiten nachstehend erläutert werden.
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In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen motors, siehe
Fig. 4 und 5, ist ein aus einer einzelnen Scheibe gebildeter Rotor 8 vorgesehen,
der fest auf einer Rotorwelle 11 angeordnet ist, die gleichzeitig konzentrisch ein
Ritzel 9 und eine Dämpfungsscheibenmasse 10 trägt. Der Rotor 8 ist an seinem äußeren
Rahd mit einer Anzahl von nach unten ragender, im gleichen Abstand liegender Polvorsprünge
8 ausgebildet, die einteilig mit dem Rotor hergestellt sind, der in üblicher Weise
aus weichmagnetischem material besteht. Die Rotorwelle 11 ist drehbar an ihren beiden
Enden in einem oberen bzw.
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unteren Lager 13a bzw. 12a angeordnet, die ihrerseits in einer oberen
bzw. unteren Grundplatte 13 bzw. 12 angeordnet sind, die in Fig. 5 nur teilweise
gezeigt sind.
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An einem Stator 17 sind zwei entgegengesetzte Gruppen von Statorpolen
15 und 16 ausgebildet, deren Teilungsbbstand demjenigen der Rotorpole entpricht.
Diese Gruppe von Stator-
Polen ist konzentrisch an einem U-förmigen
Stator 17 ausgebildet und so angeordnet, daß sie elektrisch einen Winkel von 1800
gegenüber den Rotorpolen bildet. Zwischen den Stator- und Rotorpolen ist ein Luftspalt
14 vorgesehen. Der Stator hat einen U-förmigen Statorkern, der aus weichmagnetischen
Eigenblechen zusammengesetzt ist. Einer der Arme des U-förmigen Kerns trägt eine
fest angeordnete Statorspule 18, die die Statorpolgruppen 15 und 16 magnetisch entgegengesetzt
polarisiert.
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Ein Paar permanentmagnetischer Stücke 19 und 20, die in Richtung ihrer
Dicke magnetisiert sind, sind mittels entsprechender Ausrichtestifte 21, 22 und
Kopfschrauben 23 und 24 auf dem Stator 17 eng benachbart zu den Polgruppen 15 und
16 angeordnet. Durch diese Magnetanordnung werden die Statorpole 15, 16 auf dieselbe
Polarität erregt. Die den Statorpolen gegenüberliegenden Rotorpole 8' werden dadurch
auf die entgegengesetzte Polarität erregt.
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In Fig. 5 sind die von den dauermagnetischen Stücken 19 und 20 ausgehenden
und wieder zurückkehrenden magnetflüese durch die gestrichelten Linien 61 und i2
dargestellt, die durch die Stator- und Rotorpole und durch den unmagnetischen Luftzwischenraum
hindurchgehen, der über jeder dieser Polgruppen vorhanden ist. Die magnetflüsse,
die durch diese Lufträume hindurchgehen, können in der Praxis als Streuflüsse angesehen
werden. Daher wird in dem Rotor durch den
magnetfluß kein axialer
Druck erzeugt. Bei stetiger Funktion des Elektromotors ist dadurch gewährleistet,
daß der Rotor sich um einen Polteilungswinkel synchron mit der Frequenz des Wechselstromes
dreht, der der Statorspule 18 zugefihrt wird.
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Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß für den Zusammenbau der Rotoreinheit
in einem erfindungsgemäßen motor die erforderliche Präzision wesentlich geringer
sein kann und verhältnismäßig große Dauermagneten aufgesetzt werden können, vergleichen
mit bislang üblichen motoren dieser Art, bei denen der Magnet fest auf dem Rotor
angeordnet ist. Durch die vorstehend beschriebene Anordnung der Dauermagnetstücke
auf dem Stator und bei Verwendung von denkbar kleinen magneten wird zwischen dem
Rotor und dem Stator eine besonders innige magnetische Kupplung erreicht, ohne daß
dadurch irgendeine merkliche axiale Druckkraft im Rotor hervorgerufen wird.
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Praktische Versuche mit einem erfindungsgemäßen motor haben gezeigt,
daß das Trägheitsmoment und das Gewicht des Rotors im Vergleich zu bekannten motoren
merklich verringert werden kann, indem die Permanentmagnetstücke auf dem Stator
und nicht auf dem Rotor angeordnet werden. Dadurch ergeben sich auch überlegene
Stabilitätseigenschaften beim Synchronlauf des motors. Für die Selbsterregung ist
ein geringerer Erregerstrom erforderlich. Der motor hat eine größere Ausgangsleistung,
wird durch äußere Stöße geringstmöglich beeinflußt
und weist bessere
Laufeigenschaften bei hoher Drehgeschwindigkeit auf.
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Es ist natürlich erwünscht, die Permanentmagnetstücke auf dem Stator
so eng wie möglich zum äußeren Umfang des Rotors anzuordnen, um dadurch die Bildung
des Kreises für den magnetischen Fluß an und über dem Rotor so gering wie möglich
zu machen und ferner dadurch eine innige Querverbindung der magnetflüsse mit den
Rotorpolen herzustellen. Aus diesen Gründen können diese magneten vorzugsweise aus
magnetenmaterial auf der Basis von Kunststoff oder Gummi hergestellt sein, d.h.
aus einem zusammengesetzten material, das aus fein pulverisiertem Ferrit oder Kobalt
und selteren Erden sowie natürlichem oder synthetischem Gummi besteht. Dieses Material
läßt sich sehr leicht bearbeiten.
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In der in Fig. 6 und 7 dargestellten zweiten Ausführungsform ist eine
untere Grundplatte 25 aus weichmagnetischem material vorgesehen, indem mit Preßsitz
oder durch ähnliche, übliche Befestigungsmittel ein weichmagnetisches Joch 27 in
Form eines Doppelflanschringes fest angeordnet ist. Dieses Joch 27 hält konzentrisch
ein Lager 26, das seinerseits drehbar das untere Ende der Rotorwelle 40 trägt. Ein
Permanentmagnet 28, dersirn abgerundet quadratische Form mit mittiger Bohrung aufweist,
ist fest zwischen dem Stator 29 und der Grundplatte 25 angeordnet, so daß die Polgruppen
31, 32 des Stators 29
uf eine bestimmte magnetische Polarität und
das Joch 27 auf die entgegengesetzte polarität magnetisiert werden.
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Ein Rotor 30 ist mit einer Rotorscheibe 35 versehen, die einteilig
an ihrem Umfang mit einer Anzahl Rotorpolen 35' ausgebildet ist Diese Rotorpole
liege konzentrisch zu den Polen der Statorpolgruppen 31 ud 32 unter Belassung von
Luftspalten 33 und 34. Ein eichmagnetisches Ringelement dient als Halteglied für
eine Dämpfungsscheibe 38 und bildet zusammen mit der inneren Ringwandfläche des
Joch es einen Ringspalte 36. Eine obere Grundplatte 39 ist mit einer oberen Lagereinheit
39a ausgestattet, die drehbar das obere Ende der Rotorwelle 40 hält. Auf diese Weise
kann die Rotoreinheit 30 ungestört zwischen den Grundplatten 25 und 39 laufen. Die
übrigen baulichen Einheiten entsprechen denjenigen der ersten Ausführungsform in
Fig. 4 und 5.
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Bei diesem Beispiel gahen die aus den Permanentmagneten 28 kommenden
Flüsse #4 4 durch die Statorpole 31 bzw. 32, den Luftspalt 33, das material. der
Rotorscheibe 35, einen Teil der Rotorwelle 40, das weicheagnetische Ringelement
37, den Luftspalt 36, das Joch 27 und einen Teil der unteren Grundplatte 25, wodurch
die entsprechenden geschlossenn Schleifen gebildet werden, die in Fig, 7 in punktierter
Linie eingezeichnet sind.
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Bei dieser Ausführungsform sind die Flußschleifen vollkommen geschlossen,
anstelle der offenen Flußschleifen, die in der ersten Ausführungsform auftraten.
Dadurch wird eine äußerst innige und verbesserte magnetische Kupplung zwischen dem
Rotor und Stator gebildet, so daß sich eine bessere motorleistung ergibt. Der motor
gemäß dieser Ausführungsform wird auch weniger durch Fußere magnetische Störungen
beeinflußt.
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Da die magnetische Kopplung zwischen dem Stator und dem Rotor,die
an den Luftspalten 33, 34 und 36 auftritt, im wesentlichen seitlich wirkt, tritt
auch kein axialer magnetischer Druck in Längsrichtung der Rotorwelle auf. Sollte
ein Axialdruck auf die Rotorwelle einwirken, z.B. aufgrund der Schwere oder einer
anderen äußeren Ursache kann dadurch eine entgegenwirkende magnetische Anziehungskraft
ausgelöst werden, die in der Rotorwelle wirkt und damit das Eigengewicht des Rotors
merklich verringert. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften wird gegenüber üblichen
motoren dieser Art eine hohe Leistung und besondere Stabilität des motorlaufes ge-:
währleistet.
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Bei dieser Ausführungsform empfiehlt es sich besonders, das weichmagnetische
Element 37, das am Rotor befestigt ist, mit kleineren Abmessungen als die Rotorscheibe
auszubilden, um dadurch das Eigengewicht und das Trägheitsmoment des Rotors so gering
wie möglich zu halten.
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Bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, siehe
Fig. 8 und 9, sind als wesentliche Eigenschaften die Sicherung der Startrichtung
zusammen mit einer verbesserten Start- oder Selbsterregungsleistung, niedrigerem
Energieverbrauch und höherer Stabilität beim Synchronlauf des motors zu erwähnen.
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Bei dieser Ausführungsform weist jedes Paar der Statorpolgruppen 42,43
bzw. 44,45 eine Phasenwinkeldifferenz auf, die elektrisch einem Winkel von 1800
mit Bezug aufeinander und dem Rotor entspricht. Die Statorpolgruppen sind an den
aus Blechen hergestellten Statorelementen 46 bzw. 47 ausgebildet und so um den Umfang
eines Rotors 41 herum angeordnet, daß zwischen Stator- und Rotorpolen die dargestellten
Luftspalten bleiben.
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Die Statorelemente.46 und 47 sind jeweils mit einer Statorspule 48
bzw. 49 versehen und gegeneinander so angeordnet, daß elektrisch zwischen ihnen
ein Winkel von 900 besteht.
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Ein Dauermagnet 50 ist auf dem Stator so angeordnet, daß er die radial
vorspringenden Rotorpole umgibt und sie auf eine vorbestimmte magnetpolarität magnetisieren
kann.
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In der teilweise in Fig. 10 gezeigten Anordnung sind die Statorpolgruppen
42 - 45 so polarisiert, daß sie in diesem Fall als N-Pole erscheinen.
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in der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 11 ist ein Paar 42,43
der Statorpolgruppen auf N und das übrigen Paar 44, 45 Statorpolgruppen auf S magnetisiert,
so daß die Polgruppenpaare zueinander entgegengesetzte Polarität haben.
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Falls mit der zuletzt erwähnten Erregungsart der Statorpole gearbeitet
wird, empfiehlt es sich, allgemein gesprochen, geschlossene Flußkreise vorzusehen.
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Bei dieser Ausführungsform kann für den Erregungsvorgang des rotors
die Richtung gewählt werden, indem die Spulen 48,49 mit Wechselströmen erregt werden,
die eine Phasendifferenz von 900 haben.
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Bei dem Beispiel nach Fig. 8 und 9 sind die Statorelemente in ein-
und derselben Ebene angeordnet. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch der Stator auch
hiervon stark abweichende Formen und Ausbildungen aufweisen.
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In der In Fig. 12 und 13 gezeigten Ausführungsform sind zwei einander
gegenüberliegende, zusammengesetzte Scheiben 57,58 vorgesehen, die mechanisch koaxial
übereinander auf einem konzentrischen Rotor 60 angeordnet sind.
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Ein ringförmiger Dauermagnet 59 ist im Schichtverbund zwischen den
Statorelementen 57,58 eingefügt. Das obere Statorelement
enthält
eine ringförmige Statorspule 55 und das untere Statorelement eine ringförmige Statorspule
56. Im Bereich des oberen Statorelementes, siehe auch Fig. 14, sind eine Gruppe
von nach unten weisender Statorpole 51 und eine Gruppe nach oben ragender Statorpole
52 im Bereich zwischen Innenumfang der Statorelementes und Außenumfang des Rotors
abwechselnd angeordnet4 In gleicher Weise sind nach oben ragende Statorpole 53 und
nach unten ragende Rotorpol 54 im Bereich des unteren Statorelementes am Innenumfang
des Stators bzw. Außenumfang des Rotors ausgebildet. Durch Erregung der oberen Statorspule
55 werden die Pole 51 und 52 auf entgegengesetzte Polaritäten magnetisiert. Aus
Fig. 12 ist zu entnehmen, daß die Polanordnung einen Kreis bildet.
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In gleicher Weise werden durch Erregung der unteren Statorspule 56
die Pole 53 und 54 au entgegengesetzte Polaritäten magnetisiert. Die oberen und
unteren Statorpole werden so erregt, daß die Phasendifferenz zwischen ihnen elektrisch
einem Winkel von 900 entspricht.
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Der Rotor, der im wesentlichen aus der Scheibe 60 mit den am Umfang
im gleichen Abstand ausgebildeten Rotorpolen besteht, deren Teilung derjenigen der
oberen und unteren Statorpolreihe entspricht, ist in der dargestellten Weise drehbar
angeordnet.
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Der Dauermagnet 59 ist in gleicher Weise wie bei der vorhergehenden
Ausführungsform in axialer Richtung magnetisiert.
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Zwischen Rotor- und Statorpolen bestehen kleine Luftspalten.
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Der aus dem Permanentmagneten 59 austretende magnetische Fluß beschreibt
den mit Q5 bezeichneten geschlossenen Kreis.
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Durch Erregung der Statorspulen 55, 56 mit Wechselströmen, zwischen
denen eine Phasendifferenz von 900 besteht, wird der Rotor 60 zur Drehung in einer
vorbestimmten Richtung erregt, wie auch aus dem vorhergehenden ersichtlich.
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Die Erfindung siehb demnach vor, daß ein Statorpaar oder ein Paar
Statorelemente auf dieselbe Polarität durch dauermagnetische mittel erregt werden,
die eng benachbart zu den Statorpolen auf dem Stator angeordnet sind und teilweise
die Rotorpole umschließen. Die mit den Statorpolen zusammenuirkenden Rotorpole werden
aufgrunddessen auf die entgegengesetzte Polarität magnetisiert, wodurch die erfindungsgemäß
angestrebte Wirkung erreicht wird.