DE2833286A1

DE2833286A1 - Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2833286A1
Application number: DE19782833286
Authority: DE
Inventors: David Gurwicz; Grant Carl Melocik
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1977-08-03
Filing date: 1978-07-28
Publication date: 1979-02-15
Also published as: US4195254A; ES472200A1; IT7826367A0; GB1589624A; FR2399756A1; IT1097587B; CA1124320A

Description

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28. Juli 1978 78-S-3275

CATERPILLAR TRACTOR CO., Peoria, 111. 61629, V.St.A.

Gleichstrommotor

Gleichstrommotore, beispielsweise solche für Krane oder Zugmotore bei Fahrzeugen wie beispielsweise Gabelstapler, werden häufig unter manchen Betriebsbedingungen mit überlast betrieben. Unter solchen Bedingungen kann der hohe Motorstrom die Überhitzung des Motors hervorrufen, was das Risiko einer Motorschädigung hervorruft. Bislang wurde dieses Problem dadurch überwunden, daß man kontinuierlich die Motortemperatür mittels eines Temperaturfühlelements, wie beispielsweise eines Thermistors oder eines thermisch betätigten Schalters, angeordnet im Motorrahmen, überwachte, wobei das Fühlelement ein Signal an die Motorsteuerschaltungen dann liefert, wenn die Überhitzung auftritt. Dies hat den Nachteil zur Folge, daß das Schaltelement während der Herstellung innerhalb des Motors angeordnet werden muß, und daß zusätzliche Motorklemmen erforderlich sind, über welche die Information vom Element abgezogen werden kann. Darüber hinaus ist es schwierig, das Fühlelement im Falle eines während des Gebrauchs auftretenden Ausfalls zu ersetzen.

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Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, Mittel zum Abfühlen der überhitzung eines Gleichstrommotors vorzusehen, ohne daß ein Abfühlelement innerhalb des Motors eingebettet zu sein braucht.

Erfindungsgemäß ist ein Gleichstrommotor mit einem Anker und einer Feldwicklung vorgesehen, und zwar in Kombination mit Mitteln zum Abfühlen der Temperatur der Feldwicklung, und zwar umfassen diese Abfühlmittel Spannungsfühlmittel zum Abfühlen des Widerstandsspannungsabfalls an der Feldwicklung infolge Stromflusses in der Wicklung, Stromabfühlmittel zum Abfühlen des Stroms in der Feldwicklung, Mittel zum Vergleich der abgefühlten Spannung an der Feldwicklung mit dem erwähnten Strom und zur Erzeugung eines Ausgangssignals dann, wenn der Vergleich anzeigt, daß die Temperatur der Feldwicklung ein vorbestimmtes Niveau überschreitet.

Die Erfindung benutzt somit die bekannte Tatsache, daß der Widerstandswert von Materialien, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, die normalerweise in Motorfeldwicklungen verwendet werden, mit der Temperatur ansteigt, so daß der Widerstandswert der Motorfeldwicklung mit der Temperatur ansteigt. Durch Vergleich der durch den Widerstand hervorgerufenen Spannung an der Feldwicklung infolge Stromflusses mit der Größe des Stromes wird eine Anzeige des Widerstands der Feldwicklung erhalten, die benutzt wird, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn der Widerstandsanstieg anzeigt, daß die Temperatur des Motors über einen annehmbaren Wert hinaus angestiegen ist.

Das Ausgangssignal kann an die Steuerschaltungen geliefert werden, um eine Reduzierung des Feldstromes auf ein vorbestimmtes Niveau zu bewirken, bei dem eine weitere Erhitzung des Motors nicht erfolgt. Wenn beispielsweise der Feldstrom durch eine Zerhackersteuerung gesteuert wird, so kann das Ausgangssignal verwendet werden, um eine Begrenzung des Impulstastverhältnisses der Zerhackersteuerung zu bewirken.

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Alternativ oder zusätzlich kann das Ausgangssignal benutzt werden, um eine visuelle oder andere Anzeige für die Bedienungsperson des Motors, wie beispielsweise den Fahrer, eines den Motor aufweisenden Fahrzeugs vorzusehen, um diesen auf die Überhitzung des Motors hinzuweisen.

Vorzugsweise umfassen die Stromabfühlmittel Mittel, wie beispielsweise einen Shunt in Serie mit der Feldwicklung, um eine Spannung proportional zu dem erwähnten Strom zu erzeugen, und die Mittel zum Vergleich der abgefühlten Spannung an der Feldwicklung mit dem erwähnten Strom weisen einen Komparator auf, der derart angeordnet ist, daß er die beiden Spannungen empfängt und vergleicht.

Zweckmäßigerweise werden die zwei Spannungen dem Komparator jeweils über Verstärker zugeführt, wobei die Verstärkungsfaktoren der Verstärker derart gewählt sind, daß die an den Komparator gelieferten Eingangsspannungen dann gleich sind, wenn die Temperatur des Motors sich auf einer vorbestimmten Maximal^-' temperatur befindet, wobei der Komparator das erwähnte Ausgangssignal dann vorsieht, wenn die von der an der Feldwicklung liegenden Spannung abgeleitete Eingangsspannung die vom Feldstrom abgeleitete Eingangsspannung übersteigt.

Die Erfindung ist bei Serienmotoren, Reinschlußmotoren oder gesondert erregten Motoren und Verbund- oder Compoundmotoren verwendbar.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt;

Fig. 1 ein Schaltbild eines Gleichstromreihenmotors mit einer erfindungsgemäßen Fühlschaltung;

Fig. 2 eine Abwandlung der Schaltung der Fig. 1.

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Gemäß Fig. 1 weist ein Gleichstromreihenmotor eine Feldwicklung und einen Anker 2 auf, wobei die Feldwicklung 1 mit den üblichen Richtungskontaktgebern ausgestattet ist, um die Wicklung in der einen oder anderen Richtung mit der Batterie 40 zu verbinden. Die Feldwicklung 1 und der Anker 2 sind in Serie mit einer Zerhackersteuerung 3 geschaltet, die beispielsweise ein bekannter Thyristorzerhacker sein kann, und mit einem Stromshunt 5. Eine Umpoldiode 42 liegt an Anker und Feldwicklung 1. Ein Bypasskontaktgeber 4 kann parallel zur Zerhackersteuerung geschaltet sein.

Die mittlere Spannung an der Feldwicklung 1 wird mittels eines Operationsverstärkers 11 gemessen. Wenn die Zerhackersteuerung 3 arbeitet, so ist dieSpannung an der Feldwicklung eine Wechselspannung, da während der "Aus"-Perioden der Zerhackersteuerung (wenn der Stromfluß durch den Zerhacker unterbrochen ist und der Motorstrom durch die Umpoldiode 42 fließt) eine induktive Spannung an der Feldwicklung erscheint, und zwar in einer Richtung entgegengesetzt zu der des Widerstandsspannungsabfalls an der Wicklung während der "Ein"-Perioden des Zerhackers. Um das Anlegen dieser induktiven Spannung an den Verstärker 11 zu verhindern, und um die an den Verstärker angelegte Spannung zu glätten, ist eine Filterschaltung aus Widerstand 6, Kondensator 7 und Diode 8 zwischen Feldwicklung und Verstärker 11 geschaltet. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers liegt über einen Widerstand 10 an dem Verbindungspunkt von Widerstand 6 und Kondensator 7, während der invertierende Eingang über einen Widerstand 9 mit der positiven Klemme der Batterie verbunden ist. Der Verstärker 11 besitzt somit eine Ausgangsspannung, die dann abfällt, wenn die Spannung an der nichtinvertierenden Klemme bezüglich der Spannung an der invertierenden Klemme abfällt, wenn der mittlere Widerstandsspannungsabfall an der Feldwicklung 1 mit sich erhöhendem Motorstrom ansteigt. Die Verstärkung des Verstärkers ist voreingestellt durch die Auswahl des Werts des Widerstands 12, der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Verstärkers liegt.

Der Ausgang des Verstärkers 11 ist mit der Basis eines pnp-Transistors 14 verbunden, dessen Emitter an der positiven Klemme der Batterie über einen Widerstand 13 liegt, während der Kollektor

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über eine Diode 15 und Widerstand 17 mit der negativen Klemme der Batterie verbunden ist. Wenn die Ausgangsgröße des Verstärkers abfällt, so steigt der Spannungsabfall am Widerstand 13 an, so daß der Strom durch Widerstand 13,Diode 15 und Widerstand 17 ansteigt, wodurch die am Widerstand 17 abfallende Spannung ansteigt. Die letztgenannte Spannung ändert sich somit proportional zur Ausgangsgröße des Verstärkers 11 und daher mit dem mittleren WiderstandsSpannungsabfall an der Feldwicklung 1.

Die Spannung am Widerstand 17 wird über einen Widerstand 21 an den nichtinvertierenden Eingang eines Komparators 29 angelegt. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators ist ebenfalls mit der negativen Klemme der Batterie über einen Kondensator 22 verbunden; der Widerstand 21, der Kondensator 22 und eine am Widerstand liegende Diode 20 sehen eine zusätzliche Filterwirkung vor, um die an den Komparator angelegte Spannung weiter zu glätten. Ein parallel zum Widerstand 17 geschalteter Kondensator 16 wirkt unterstützend bei der Glättung der an den Komparator angelegten Spannung.

Die Spannung am Stromshunt 5 wird durch einen Operationsverstärker 26 verstärkt und an den invertierenden Eingang des Komparators 29 geliefert? und zwar über einen Feldeffekttransistorschalter 23 und einen Widerstand 19, wobei ein Kondensator 18 zwischen den invertierenden Eingang des Verstärkers 29 und die negative Batterieklemme geschaltet ist= Der Verbindungspunkt von Shunt 5 und Zerhacker 3 liegt über einen Widerstand 24 am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 26, während das andere mit der negativen Batterieklemme verbundene Ende des Shunt am invertierenden Eingang des Verstärkers 26 über einen Widerstand 25 liegt. Der versetzte Null-Punkt des Verstärkers 26 wird mittels eines veränderbaren Widerstands 27 eingestellt, um sicherzustellen, daß die Ausgangsgröße des Verstärkers dann Null ist, wenn die Spannung am Shunt Null ist. Die Verstärkung des Verstärkers 26 kann mittels eines veränderbaren Widerstands 28 eingestellt werden, der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Verstärkers liegt. Der Schalter 23, der Widerstand

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19 und der Kondensator 18 wirken als eine "Sample and hold", d. h. Tast- und Halteschaltung, wobei der Schalter durch ein Signal 33 von der Zerhackersteuerung 3 geschlossen wird während der "Ein"-Perioden des Zerhackers und geöffnet wird während der "Aus"-Perioden. Während jeder Ein-Periode lädt sich der Kondensator 17 auf die Ausgangsspannung des Verstärkers 26 auf und hält diese Spannung während der Aus-Perioden, wenn der Strom durch den Zerhacker und Shunt 5 auf Null abfällt. Die Ausgangsgröße des Verstärkers 26 ist somit genau proportional zur Spannung am Shunt 5 während der Ein-Perioden des Zerhackers und daher zum Motorstrom, und zwar unabhängig von der Pulsfrequenz des Zerhackers.

Der Ausgang des Komparators 29 ist mit der Zerhackersteuerung verbunden, so daß das Ausgangssignal, welches dann vorgesehen wird, wenn die Ausgangsgröße des Komparators von der logischen Null auf die logische Eins, wie unten beschrieben, geht, bewirkt, daß das Impulstastverhältnis des Zerhackers auf einen Wert reduziert wird, der niedrig genug liegt, um sicherzustellen, daß der Motorstrom auf einen Pegel reduziert wird, bei dem die weitere Erhitzung des Motors nicht erfolgt. Der Ausgang des Komparators 29 liegt ebenfalls über einen Widerstand 30 an der Basis eines npn-Transistors 31, dessen Emitter mit der negativen Batterieklemme verbunden ist. Der Transistor wird dann leitend gemacht, wenn die Ausgangsgröße des Komparators 29 auf eine logische Eins geht, und kann dazu verwendet werden, um eine sichtbare oder andere Anzeige, beispielsweise mittels einer Lampe 32, vorzusehen, daß.eine Überhitzung des Motors aufgetreten ist.

Beim Betrieb des gezeigten Ausführungsbeispiels erzeugt der Stromfluß durch die Feldwicklung 1 während der "Ein"-Perioden der Zerhackersteuerung 3 einen Widerstandsspannungsabfall an der Feldwicklung und eine Spannung proportional zum mittleren Spannungsabfall wird an den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 29, wie oben beschrieben, angelegt. Gleichzeitig wird eine Spannung proportional zur Stromgröße, wie oben beschrieben, an den invertierenden Eingang des Komparators 29 geliefert. Die Verstärkung des Verstärkers 26 wird derart eingestellt, daß

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die an die Komparatoreingänge angelegten Spannungen dann gleich sind, wenn der Widerstandswert der Feldwicklung sich auf einem Wert entsprechend einem vorbestimmten Maximalpegel· der Temperatur des Motors befindet. Wenn die Temperatur unterhalb dieses Pegels liegt, so ist der Widerstandswert der Feldwicklung unterhalb des genannten Wertes, so daß der Widerstandsspannungsabfall an der Wicklung 10 für irgendeinen Strom kleiner ist; die Spannung an dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators ist daher kleiner als die am invertierenden Eingang und die Ausgangsgröße des Komparators bleibt auf der logischen Null·. Wenn die Temperatur des Motors über den vorbestimmten. Pegel ansteigt, so steigt der Widerstandswert der Feldwicklung über den erwähnten Wert hin an, so daß der Spannungsabfall daran ansteigt und die Spannung an dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 29 über die am invertierenden Eingang ansteigt; die Ausgangsgröße des Komparators steigt daher auf die logische Eins an und bewirkt eine Reduzierung des Motorstroms und eine Sicht- oder andere Anzeige, wie oben beschrieben.

Der Aufbau der Zerhackersteuerung 3 kann in irgendeiner Form vorgesehen sein, wie sie dem Fachmann bekannt ist. Die Mittel zur Reduzierung des Impulstastverhältnisses des Zerhackers infolge des Signais von Komparator 29 können in gleicher Weise wie bei den bekannten Stroinbegrenzungs systemen ausgebildet sein; vgl. beispielsweise GB-PS 1 227 138.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann auf verschiedene Weisen abgewandelt werden, beispielsweise dadurch, daß man vorsieht, daß das Ausgangssignal vom Komparator 29 den Motor von der Versorgung abschaltet, anstelle das Impulstastverhältnis der Zerhackersteuerung 3 zu begrenzen. Alternativ könnte das Ausgangssignal einfach verwendet werden, um eine sichtbare oder hörbare Anzeige für den Motorbenutzer vorzusehen, so daß die Korrektur von Hand vorgenommen werden kann.

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Bei der in Fig. 2 gezeigten Abwandlung sind die Eingänge der die Spannung an der Feldwicklung 1 abfühlenden Schaltung direkt mit den Punkten A und B an den Enden der Feldwicklung verbunden, so daß die Richtungskontaktgeber von der Spannungsfühlschaltung ausgeschlossen ist. Dies hat den Vorteil, daß die abgefühlte Spannung die wahre Spannung an der Feldwicklung ist, ohne daß die Gefahr eines Fehlers infolge eines Spannungsabfalls an den Kontaktgebern auftritt, die in der gleichen Größenordnung liegen kann, wie der Widerstandsspannungsabfall an der Feldwicklung. In diesem Fall arbeitet die Spannungsfühlschaltung nur dann richtig, wenn die Kontaktgeber zum Antrieb des Motors in der "Vorwärts"-Richtung ausgewählt sind,da bei Umkehr des Motors die Richtung des Widerstandsspannungsabfalls an der Wicklung umgekehrt wird. Demgemäß sind Mittel vorgesehen, um den Betrieb der Temperaturschaltung dann zu sperren, wenn die Kontaktgeber derart betätigt sind, daß sie den Rückwärts-Antrieb des Motors bewirken. Diese Mittel können die in Fig. 2 gezeigte Form der Schaltung 34 besitzen, die derart angeordnet ist, daß eine hohe positive Spannung an den invertierenden Eingang des Komparators 29 angelegt wird, wenn die Richtungskontaktgeber für "Rückx'/ärts"-Antrieb ausgewählt sind, beispielsweise bei Empfang eines Signals von der einen Teil der Zerhackersteuerung 3 bildenden Schaltung, die die Betätigung der Richtungskontaktgeber steuert. Die an den invertierenden Eingang des Komparators 29 angelegte Spannung stellt sicher, daß die Ausgangsgröße des Komparators niedrig verbleibt, so daß kein Ausgangssignal an die Zerhackersteuerung oder Transistor 31 geliefert wird.

Alternativ kann an Stelle des Sperrens der Fühlschaltung während des Rückwärts-Betriebs eine gesonderte Spannungsfühlschaltung vorgesehen sein, die mit der entsprechenden Richtung der Feldwicklung verbunden ist, so daß das Fühlen sowohl während Vorwärts- als auch während Rückwärts-Antrieb erfolgen kann.

Die Schaltung zum Sperren des Betriebs der Temperaturabfühlmittel könnte auch für andere Zwecke verwendet werden. Wenn beispielsweise ein Bypasskontaktgeber 4 vorgesehen ist, so könnte die Schaltung verwendet werden, um den Betrieb immer dann zu sperren, wenn der Bypasskontaktgeber offen war, so daß

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die Temperaturabfühlmittel nur betätigt werden, wenn der Bypasskontaktgeber geschlossen war. In diesem Falle könnte das den Überhitzungszustand des Motors anzeigende Signal verwendet werden, um das öffnen des Bypasskontaktgebers zu bewirken und den Betrieb der Zerhackersteuerung mit einem vorbestimmten Tastverhältnis.

Man erkennt, daß die Erfindung auch bei Gleichstromserienmotoren verwendet werden kann, bei denen der Rückwärts-Antrieb dadurch bewirkt wird, daß man die Verbindungen zur Versorgung des Ankers umkehrt und nicht jeder Feldwicklung. Die Schaltung der Fig. 1 könnte dann natürlich ohne Modifikation verwendet werden, wobei die Eingänge der Spannungsfühlschaltung direkt mit den Enden der Feldwicklung verbunden sind.

Man erkennt, daß die Erfindung auch bei nebenschlußgewickelten oder verbund(compound)gewickelten Motoren oder auch bei Motoren mit gesondert erregter Feldwicklung verwendet werden kann. Die Erfindung könnte bei Motoren mit anderen Steuerformen als der Zerhackersteuerung verwendet werden. Das die überhitzung des Motors anzeigende Signal könnte beispielsweise verwendet werden, um einen Widerstand in Serienschaltung mit dem Motor zu schalten oder aber um den Motor von der Versorgung abzuschalten, und zwar zusätzlich zu Oder als Alternative zur Vorsehung einer sichtbaren oder anderen Anzeige des überhitzungszustands.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.j Gleichstrommotor mit einem Anker und einer Feldwicklung, gekennzeichnet durch Mittel zum Abfühlen der Temperatur der Feldwicklung (1) mit Spannungsabfühlmitteln zum Abfühlen des Widerstandsspannungsabfalls an der Feldwicklung infolge des Stromflusses in der Wicklung, mit Stromabfühlmitteln zum Abfühlen des Stroms in der Feldwicklung und mit Mitteln (29) zum Vergleichen der abgefühlten Spannung an der Feldwicklung mit dem Strom und zur Erzeugung eines Ausgangssignals dann, wenn der Vergleich anzeigt, daß die Temperatur der Feldwicklung ein vorbestimmtes Niveau übersteigt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabfühlmittel Mittel aufweisen, um eine Spannung proportional zu dem Strom zu erzeugen,und daß die Mittel zum Vergleichen der abgefühlten Spannung an der Feldwicklung mit dem Strom einen Komparator 29 aufweisen, der die erwähnten beiden Spannungen empfängt und vergleicht.

3. Motor nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Spannungen dem Komparator jeweils über Verstärker (11f 26) zugeführt werden, deren Verstärkungsfaktoren derart vorgesehen sind,daß die Eingangsspannungen zum Komparator dann gleich sind, wenn die Temperatur des Motors sich auf einer vorbestimmten Temperatur befindet, während der Komparator (29) das erwähnte Ausgangssignal dann liefert, wenn die von der Spannung an der Feldwicklung abgeleitete Eingangsspannung die vom FeIdstrom abgeleitete Eingangsspannung übersteigt.

4. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel mit den Temperaturabfühlmitteln verbunden sind, um das erwähnte Ausgangssignal zu empfangen, um bei Empfang des Signals eine Verminderung des Ankerstroms des Motors zu bewirken.

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5. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerstrom gesteuert wird mittels eines Zerhackerkreises in Serie mit dem Anker und daß die erwähnten Schaltungsmittel bei Empfang des erwähnten Ausgangssignals das Impuls-Tast-Verhältnis der Zerhackerschaltung begrenzen«

6. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Schaltungsmittel bei Empfang des erwähnten Ausgangssignals betätigbar sind, um den Ankerstrom des Motors auf ein vorbestimmtes Niveau zu reduzieren.

7. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Serienmotor ist und daß der Motorstrom durch einen in Serie mit dem Anker (2) geschalteten Zerhackerkreis (3) gesteuert ist, daß die Mittel zur Ableitung einer Spannung proportional zum Feldstrom einen Stromshunt (5) in Serie mit dem Zerhackerkreis aufweisen, und daß eine Tast- und Halteschaltung (23, 19, 18) betätigbar ist, um eine Spannung proportional zur Spannung am Stromshunt abzufühlen und aufrechtzuerhalten, und zwar während jeder "Ein"-Periode der Zerhackerschaltung, und um die aufrechterhaltene Spannung an den Komparator zu liefern.

8. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ümkehrkontaktgeber vorgesehen sind, um die Verbindungen der Feldwicklung mit einer Gleichstromversorgung umzukehren, wodurch die Antriebsrichtung des Motors umgedreht wird, wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um den Betrieb der Temperaturabfühlmittel dann zu sperren, wenn die Ümkehrkontaktgeber sur Bewirkung des Rückwärtsantriebs des Motors betätigt v/erden.

9« Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, daß der Ankerstrom durch einen Zerhackerkreis in Serie mit dem Anker gesteuert wird, und wobei ein Bypass-

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kontaktgeber parallel mit dem Zerhackerkreis geschaltet ist/ und wobei schließlich Mittel vorgesehen sind, um den Bypasskontaktgeber bei Empfang des Ausgangssignals von den Temperatur abfühlmitteln zu öffnen.

10. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Serienmotor ist.

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