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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine bürstenlose
Elektromaschine, die einen Stator mit Mehrphasenwicklungen, einen
Rotor, der mit wenigstens einem Permanentmagneten mit in bezug auf
die Achse des Rotors radialer Magnetisierung sowie mit einer nicht
magnetischen Struktur, die den Magneten wenigstens teilweise umgibt,
versehen ist, und Mittel für
die Erfassung der Winkelposition des Rotors umfaßt.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere
für die
Erfassung der Winkelposition des Rotors zum Regeln der mehrphasigen
Versorgung mit veränderlicher
Frequenz und Amplitude von elektrischen Synchronmotoren mit Permanentmagneten,
die mit strukturellen Elementen versehen sind, die die Stellung
des Rotors anzeigen, wobei diese Versorgung sinusförmig sein
oder durch Gleichstromimpulse erfolgen kann. Motoren dieser Art
werden in bestimmten Anwendungsgebieten, wie medizinischen oder zahnmedizinischen
Instrumenten bevorzugt, weil es angesichts der verringerten Abmessungen
der Instrumente erforderlich ist, den Raumbedarf des Motors und
die Anzahl der Anschlüsse
zwischen dem Motor und seiner Steuervorrichtung soweit wie möglich zu
verringern.
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Ziel der Regelung ist insbesondere,
ein maximales Drehmoment zu erhalten und zu verhindern, daß der Synchronmotor
außer
Tritt fällt.
Insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten muß sie ermöglichen, das Drehmoment und
die Geschwindigkeit gut unter Kontrolle zu haben und spezielle Arbeitszyklen durchzuführen, wobei
sie auf einer verringerten Anzahl von Umdrehungen oder auf Teilen
von Umdrehungen des Rotors arbeitet.
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Die herkömmlichen Steuervorrichtungen
verwenden beispielsweise magnetische Hall-Sensoren oder Winkelcodierer,
um die Stellung des Rotors anzuzeigen, wobei nachteilig ist, daß sie eine
gewisse Überfüllung im
Motor und zusätzliche
elektrische Verbindungen zwischen dem Motor und seiner Steuervorrichtung
aufweisen. Andere bekannte Vorrichtungen verwenden Spannungstransformatoren,
um Impedanzänderungen
der Statorwicklungen zu erfassen, jedoch stellen diese großen und
schweren Komponenten ebenfalls einen Nachteil dar.
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Es ist ebenfalls bekannt, Spannungen
mit hohen Frequenzen zu verwenden, die auf Statorwicklungen angewendet
werden, um Impedanzänderungen
dieser Wicklungen als Funktion der Stellung des Magnetfelds des
Rotors zu erfassen. Beispielsweise sieht das Dokument
JP 9-163788 A vor, die Ruhestellung
des Rotors ausgehend von drei Spannungen mit hoher Frequenz, die
auf den drei Statorphasen gemessen werden, zu schätzen, um
das Anlaufen des Motors mit größtmöglichem
Drehmoment zu größtmöglicher
Leistung steuern zu können.
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Jedoch hat der Erfinder herausgefunden, daß, wenn
eine Statorwicklung in einer Oszillatorschaltung in Reihe geschaltet
ist und man die Resonanzfrequenz dieser Schaltung beobachtet, diese Frequenz
infolge von Impedanzänderungen
der Schaltung variiert, die insbesondere mit magnetischen Flußänderungen
des Rotors in den Statorwicklungen verbunden sind. Ausgehend von Änderungen dieser
Frequenz kann man die Winkelposition des Rotors berechnen. In der
französischen
Patentanmeldung Nr. 98 09153, die nach dem Einreichen der vorliegenden
Anmeldung veröffentlicht
worden ist, ist die Verwendung von zwei Oszillatorschaltungen beschrieben,
die verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen, um die Winkelposition
des Rotors im Betrieb und folglich die Versorgungsimpulse des Motors zu
berechnen.
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Der Erfinder hat beobachtet, daß ein mit
einem gesinterten Permanentmagneten ausgestatteter Rotor selbst
Ursache für
eine Frequenzänderung
in der Größenordnung
von 10% als Funktion seiner Winkelposition in bezug auf Statorwicklungen,
die durch diese Frequenz durchdrungen werden, ist. Diese Änderung
wird der molekularen, vorzugsweise ausgerichteten, d. h. anisotropen
Struktur zugeordnet, die aus der Herstellung des Magneten resultiert. Leider
ist die Frequenzänderung,
die so erhalten wird, verhältnismäßig schwach
und teilweise zufällig. Obgleich
sie verwendbar ist, erlaubt diese Variation keine große Präzision.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, eine Elektromaschine obengenannter Art derart zu
verbessern, daß die Änderung
der Frequenz der Resonanz der Oszillatorschaltung verstärkt wird und
eine einfachere und genauere Erfassung der Winkelposition des Rotors,
der in Betrieb oder stationär
sein kann, ermöglicht.
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Hierzu ist eine erfindungsgemäße Elektromaschine
dadurch gekennzeichnet, daß die
nicht magnetische Struktur längs
des Umfangs des Magneten Zonen mit unterschiedlichen Dicken oder
unterschiedlichen Permeabilitäten
aufweist.
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Mit anderen Worten bietet der radiale
Abstand zwischen der Außenfläche des
Drehmagneten und der Innenfläche
der Statorpolteile, der den Luftspalt und die nichtmagnetische Struktur
umfaßt, Bedingungen
für den
Durchgang des Magnetflusses, die längs des Umfangs des Rotors
variabel sind. Diese Bedingungen hängen gleichzeitig von der Art
und der Dicke der Schichten ab, die in diesem Abstand einschließlich des
Luftspalts vorhanden sind.
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Das Resultat ist, daß der Magnetfluß mit hoher
Frequenz, der von den Statorwicklungen durch den Rotor erzeugt wird,
dank der Oszillatorschaltung mit der Winkelposition des Rotors nicht
nur wegen der Beschaffenheit des Magneten, sondern auch infolge
der Konfiguration der nicht magnetischen Struktur, die ihn umgibt,
variiert. Eine passende Wahl der Geometrie dieser Struktur in bezug
auf die Pole des Magneten macht es möglich, den gewünschten
Effekt zu verstärken.
Vorzugsweise sind die Zonen mit unterschiedlichen Dicken oder unterschiedlichen Permeabilitäten symmetrisch
in bezug auf eine Ebene angeordnet, die zu der Magnetisierungsrichtung des
Magneten senkrecht ist und durch die Achse des Rotors verläuft.
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In den kleinen Motoren dieser Art
ist es weithin bekannt, den Rotormagneten in einer nicht magnetischen
metallischen Hülse
unterzubringen, deren Zweck vor allem darin besteht, ein Auseinanderfallen des
Magneten unter dem Effekt der Zentrifugalkraft zu verhindern. In
den medizinischen Anwendungen, die insbesondere Sterilisationsarbeiten
erfordern, ist das verwendete Metall im allgemeinen Messing, da es
einfach fertigbar ist und einen guten Korrosionswiderstand aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung trägt
die nicht magnetische Struktur des Rotors eine derartige Hülse, die
Aussparungen besitzt, die Öffnungen
oder verdünnte
Abschnitte der Hülse
bilden. Diese Aussparungen können
vorteilhafterweise mit einem dielektrischen Werkstoff gefüllt sein,
beispielsweise einem Epoxydharz.
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Es muß angemerkt werden, daß eine erfindungsgemäße Elektromaschine
entweder ein Motor oder ein Generator oder eine Maschine sein kann, die
in beiden Betriebsarten funktioniert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
umfassen die Mittel für
die Erfassung der Winkelposition des Rotors Meßmittel, die so beschaffen
sind, daß sie
wahlweise mit den Wicklungen des Stators verbunden werden können, damit
sie eine Oszillatorschaltung bilden und Änderungen der Resonsanzfrequenz
dieser Oszillatorschaltung erfassen. Jedoch ist es wichtig, daß die Prinzipien
der vorliegenden Erfindung auch mit anderen Arten von Erfassungsmitteln
verwendbar sind. In dieser Hinsicht spielen die Wirbelströme, die
in die metallische Hülse
des Rotors induziert werden, in den zu verwendenden Methoden der
Erfassung eine große
Rolle.
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Andere Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen
in bezug auf die beigefügten
Abbildungen, in denen:
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1 einen
erfindungsgemäßen bürstenlosen
Elektromotor mit Steuermitteln und mit Mitteln zum Erfassen der
Winkelposition seines Rotors vereinfacht darstellt,
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2 einen
schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform des Rotors darstellt,
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3 bis 10 zur 2 analoge Ansichten sind, die andere
Ausführungsformen
des Rotors darstellen,
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11 bis 13 verschiedene Konfigurationen der
den Rotor umgebenden Hülse
perspektiv darstellen und
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14 bis 16 Frequenzänderungen
darstellen, die während
der Tests verschiedener Rotoren mit Konfigurationen gemäß den 11 bis 13 erhalten worden sind.
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In der 1 ist
ein bürstenloser
synchroner Elektromotor 11 mit einem mehrphasigen Stator 12 und
einem Rotor 13 mit einem Permanentmagneten 14 dargestellt,
wobei die Drehachse durch 15 gezeigt ist. Der Stator 12 umfaßt drei
Phasenwicklungen 16, 17 und 18, die im
Stern oder im Dreieck angeschlossen sind, wobei ihre Anschlüsse 19, 20 und 21 via Sperrtilter 23 durch
eine Steuervorrichtung 22 versorgt werden, die einen vorzugsweise
sinusförmigen Dreiphasengenerator
aufweist. Die Filter 23 sind zum Blockieren des weiter
unten beschriebenen Bandes hoher Frequenz f ausgestaltet. Die Steuervorrichtung 22 weist
auf bekannte Weise auch Mittel zum Regeln auf, die eine Änderung
der Amplitude, der Frequenz und der Phase der Versorgungsspannungen
als Funktion eines durch einen Operator vorgegebenen Stellsignals
X sowie eines Signals P ermöglichen, das
eine Winkelposition des Rotors darstellt. Das Signal P wird durch
die Mittel 24 zum Erfassen der Winkelposition des Rotors
geliefert.
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Der Magnet 14 des Rotors 13 weist
eine radiale Magnetisierung auf, die durch eine Magnetisierungsachse
A dargestellt ist, deren Winkelposition zu einem gegebenen Zeitpunkt
durch einen Winkel θ dargestellt
ist, der zu einer Referenzrichtung D bestimmt ist, die in bezug
auf den Stator feststeht. Es wird jedoch angemerkt, daß die vorliegende
Erfindung ebenfalls anwendbar ist, wenn der Magnet 14 mehrpolig
ist oder der Rotor 13 mehrere Magneten mit einer oder mehreren
Magnetisierungsachsen wie die Achse A aufweist.
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Wie nachstehend beschrieben ist,
weist der Rotor 13 um den Magneten 14 eine nicht
magnetische Struktur 26 auf, die Zonen mit unterschiedlichen Dicken
oder unterschiedlichen Permeabilitäten längs des Umfangs des Magneten
aufweist. In dem in der 1 dargestellten
Beispiel ist die nicht magnetische Struktur 26 durch eine
Hülse aus
Messing gebildet, in der Öffnungen 44 ausgespart
sind.
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Die Erfassungsmittel 24 umfassen
eine Kommutationsschaltung 30, die es gestattet, ihre Eingänge 30a, 30b und 30c selektiv
mit den Anschlüssen 19, 20 und 21 des
Stators 12 zu verbinden. Ein Kondensator C1 und ein Widerstand
R1 sind zwischen dem Eingang 30a und Masse in Reihe geschaltet
und gleichfalls sind ein Kondensator C2 und ein Widerstand R2 zwischen
dem Eingang 30c und Masse in Reihe geschaltet. Zudem ist
der Eingang 30b über
einen Kondensator C3 mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 31 verbunden,
dessen negativer Eingang mit dem Knotenpunkt 32 zwischen C1
und R1 und dessen positiver Eingang mit dem Knotenpunkt 33 zwischen
C2 und R2 verbunden ist. Der Knotenpunkt 33 ist auch mit
einer Frequenzmeßschaltung 34 verbunden,
die ein Meßsignal
fm an Berechnungsmittel 35 liefert, die beispielsweise
durch einen Mikroprozessor gebildet sind. Die Mittel 35 sind über eine
Verbindung 36 mit der Kommutationsschaltung 30 verbunden,
um sie zu steuern, und verwenden andererseits die Werte des Signals
fm, um die Winkelposition θ des
Rotors 13 zu berechnen und das Signal P an die Steuervorrichtung 22 zu
liefern, das diese Position repräsentiert.
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Die Berechnungsmittel 35 steuern
die Kommutationsschaltung 30 derart, daß Meßzyklen durchgeführt werden,
die jeweils eine Folge von drei aufeinander folgenden Kommutationszuständen umfassen.
Die Eingänge 30a, 30b und 30c der
Schaltung 30 werden folglich mit den Anschlüssen 19, 20 bzw. 21 im
ersten Zustand, den Anschlüssen 20, 21 bzw. 19 im
zweiten Zustand und den Anschlüssen 21, 19 bzw. 20 im
dritten Zustand verbunden. In jedem dieser Zustände bilden der Verstärker 31,
die Widerstände
R1 und R2, die Kondensatoren C1, C2 und C3 und die Induktivitäten der
Wicklungen 16, 17 und
18 eine Oszillatorschaltung,
die eine hohe Resonanzfrequenz f aufweist. Diese hängt insbesondere
von den Induktivitäten
ab, die mit der Winkelposition des Magnetfelds des Rotors variieren.
Die Dauer jedes Zyklus ist sehr kurz, beispielsweise kleiner als
48 μs, damit
sich der Winkel θ und
somit die Resonanzfrequenz während
des Zyklus nur sehr wenig oder, wenn der Motor stillsteht, überhaupt
nicht, ändern. Diese
von der Schaltung 34 gemessene Momentanfrequenz wird durch
das Meßsignal
fm repräsentiert.
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Die Berechnungsmittel 35 empfangen
somit in jedem Meßzyklus
drei Frequenzmessungen fm1, fm2 und fm3, die Positionen entsprechen,
die gegeneinander um 120° der
Kommutation auf den Statorwicklungen versetzt sind. Zwei dieser
Messungen reichen dem Fachmann, um die momentane Winkelposition θ des Rotors
zu berechnen, wobei die dritte als Kontrollmittel dienen kann.
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Ausgehend von durch das Signal P
repräsentierten
Werten von Θ können die
in der Steuervorrichtung 22 enthaltenen Regelungsmittel
insbesondere die Geschwindigkeit des Rotors und die Phasenverschiebung
zwischen dem Drehfeld und dem Rotor berechnen, um die Versorgung
des Motors 11 als Funktion dieser Parameter und des Stellsignals
X zu steuern.
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Die 2 bis 8 zeigen verschiedene Ausführungsformen
des Rotors 13, bei denen die nicht magnetische Struktur,
die den Magneten 14 umgibt, aus einer metallischen Hülse 26,
beispielsweise aus Messing, gebildet ist. In der Praxis wird der
Magnet im allgemeinen durch eine mittige Welle des Rotors durchquert,
d. h. er ist rohrförmig.
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Im Fall der 2 ist der Magnet 14 zylindrisch.
Die Hülse 26 weist
eine zylindrische Innenfläche
auf, die am Magneten angesetzt ist. Auf ihrer Außenfläche weist sie zwei Aussparungen 40 auf,
die sich nur über
einen Teil der Dicke der Hülse
erstrecken und jeweils eine Winkelausdehnung α aufweisen. Die beiden Aussparungen 40 sind
in bezug auf eine axiale Ebene 41, die zu der Magnetisierungsrichtung
A senkrecht ist und durch die Achse 15 des Rotors verläuft, zueinander
symmetrisch. Die Aussparungen 40 bilden somit längs des Umfangs
der Hülse 26 zwei
Zonen 42 normaler Dicke und zwei Zonen 43 verringerter
Dicke, die durch die verdünnten Abschnitte
der Hülse
gebildet werden. Mit anderen Worten weist die Außenfläche der Hülse 26 einen maximalen
Radius r2 in den Zonen 42 und einen
kleineren Radius r1 in den Zonen 43 auf.
Wenn gewünscht
ist, daß der
Rotor einen kreisförmigen
Umfang aufweist, ist es möglich,
jede Aussparung 40 mit einem Werkstoff aufzufüllen, der
eine Permeabilität aufweist,
die gleich oder ähnlich
derjenigen von Luft und deutlich geringer als derjenige der Hülse 26 ist. Dieser
Werkstoff kann die Hülse
verstärken
und beispielsweise aus einem Epoxydharz gebildet sein.
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Das Beispiel der 3 ist dem der 2 ähnlich,
außer
daß die
Aussparungen 40 durch Öffnungen 44 ersetzt
sind, die sich durch die gesamte Dicke der Hülse 26 erstrecken.
Jede Öffnung 44 kann durch
einen Längsschlitz
gebildet sein, der sich über den
größten Teil
der Länge
des Magneten 14 erstreckt. Es kann auch eine Reihe mehrerer Öffnungen 44 längs jeder
Seite des Rotors vorgesehen sein, wie man weiter unten sieht.
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Der in der 4 dargestellte Rotor hat im wesentlichen
die gleiche Konfiguration wie derjenige der 3, außer daß der Magnet 14 auf
beiden Seiten der Magnetisierungsachse A zwei flache seitliche Flächen aufweist,
entlang welcher metallische Zylinderabschnitte zwischen dem Magnet 14 und
der Hülse 16 untergebracht
sind. Diese Abschnitte können beispielsweise
aus Weicheisen, Stahl, Kupfer oder Messing sein. Sie erzeugen eine
zusätzliche Änderung
der Permeabilität
des Rotors gegenüber
dem Statormagnetfluß als
Funktion der Winkelposition des Rotors relativ zu diesem Fluß.
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Die in der 5 veranschaulichte Konfiguration unterscheidet
sich von derjenigen der 4 dadurch,
daß die
Abschnitte 46 zwischen dem Magneten 14 und den Öffnungen 44,
also gegenüber
den Polen des Magneten, angeordnet sind.
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Die Beispiele der 6 bis 8 unterscheiden sich
von denjenigen der entsprechenden 3 bis 5 dadurch, daß die Öffnungen 44 der
Hülse 26 nicht gegenüber den
Polen des Magneten 14, sondern seitlich, d. h. beiderseits
der Magnetisierungsachse A angeordnet sind. Somit sind es die nicht
vertieften Abschnitte der Hülse 26,
die die Pole des Magneten bedecken.
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Die Beispiele der 9 und 10 entsprechen denjenigen
der 7 und 8, bei denen die Hülse 26 weggelassen
worden ist, d. h. daß der
Magnetkreis des Rotors im wesentlichen den Magneten 14 und die
zylindrischen Abschnitte 46 umfaßt. Im Fall der 9 sind die Abschnitte 46 seitlich
in bezug auf die Magnetisierungsachse A angeordnet, während sie
im Fall der 10 gegenüber den
Polen des Magneten angeordnet sind. In diesen beiden Fällen kann
eine Verstärkung
des Rotors mittels struktureller Elemente, die keine wesentliche
magnetische Rolle spielen, erwogen werden, beispielsweise ein Überzug aus Harz
oder Ringe, die in ringförmige
Nuten derart eingesetzt sind, daß sie den Umfang des Magneten 14 und
der Abschnitte 46 nicht überragen, so daß der Luftspalt
auf ein Minimum verringert ist.
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Der Anmelder hat Vergleichstests
durchgeführt,
um die durch die Erfindung gelieferten Vorteile nachzuweisen. Die 11 bis 13 stellen schematisch verschiedene Konfigurationen
des Mantels 26 von einigen der Rotoren 13 dar,
die getestet worden sind. Die verwendeten Magnete sind aus Samarium-Kobalt
hergestellt. In einigen Mustern hat der Magnet 14 eine
zylindrische Außenform
und in anderen Mustern sind wie oben beschrieben zylindrische Abschnitte 46 mit
ihm verbunden. Die Welle 48 des Rotors durchquert den Magneten
und ist aus gehärtetem
rostfreiem Stahl gebildet.
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In der Konfiguration der 11 sind zwei Öffnungen 44 in
Form von Schlitzen gegenüber
den Polen des Rotors entsprechend der 3 angeordnet, d.
h. daß sie
in bezug auf eine Ebene, die senkrecht zur Magnetisierungsachse
A verläuft,
symmetrisch zueinander sind. Im Gegensatz hierzu sind im Beispiel
der 12 zwei Öffnungen 44 in
Form von Schlitzen, wie es in 6 gezeigt
ist, seitlich angeordnet, d. h. daß sie in bezug auf eine Ebene,
die durch die Magnetisierungsachse A verläuft, symmetrisch sind. Das
Beispiel der 13 ist ähnlich zu
dem der 11, außer daß es zwei
Reihen von kreisförmigen Öffnungen 44 anstelle
der Öffnungen
in Form von Schlitzen aufweist. Zum Vergleich wurde auch an einem
Motor gemessen, der einen zylindrischen Magneten 14 und
eine Hülse 26 mit
konstanter Dicke und ohne Öffnungen
aufweist, und man hat eine Änderung
der Resonanzfrequenz gemessen, die 10% nicht übersteigt.
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Die 14 bis 16 stellen die relative Frequenzänderung Δf/f dar,
die während
der Tests mit neun Rotormustern, numeriert von 1 bis 9, gemessen worden
sind. Die mittlere Frequenz f der verwendeten Oszillatorschaltungen
liegt bei 1,7 MHz. Δf
ist der Unterschied zwischen der bei einem Muster während einer
Umdrehung des Rotors mit geringer Geschwindigkeit gemessenen größten und
kleinsten Frequenz.
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Die in der 14 dargestellten Ergebnisse sind mit
einer Konfiguration erhalten worden, die den 3 bis 11 entspricht
und mit verschiedenen Winkelausdehnungen α der Schlitze 44: a
betrug 70° im Muster 4,
90° im Muster 5 und
110° im
Muster 6.
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Die in der 15 dargestellten Ergebnisse entsprechen
einer Konfiguration gemäß den 6 bis 12. Die Winkelausdehnung α der Schlitze 44 betrug
110° im
Muster 1, 90° im
Muster 2 und 70° im Muster 3.
Es wird festgestellt, daß die
Ergebnisse nicht so gut sind wie diejenigen der 14, jedoch deutlich besser bleiben als
diejenigen des Vergleichsmusters.
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Die in 16 dargestellten
Ergebnisse entsprechen einer Konfiguration der Hülse 26 gemäß 13. In den Mustern 7 und 8 wird
der Magnet von zwei metallischen seitlichen Abschnitten 46 flankiert, wie
es in 4 zu sehen ist,
wobei diese Abschnitte im Muster 7 aus Stahl und im Muster 8 aus
Messung sind. Im Muster 9 weist der Magnet eine zylindrische Form
auf, wie es in der 3 gezeigt
ist. Es wird angemerkt, daß diese
drei Muster gute Ergebnisse liefern, wobei jedoch der Effekt der
Abschnitte 46 unwesentlich ist.
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Was die Winkelausdehnung α der Öffnungen 44 in
Form von Schlitzen betrifft, zeigen die 14 und 15,
wie die Effizienz, d. h. Δf/f,
mit α steigt,
aber daß ein
Wert von α im
wesentlichen von 90° ein
Optimum darstellt, wobei angenommen wird, daß die Öffnungen nicht zu groß werden,
um die mechanische Stärke
der Hülse 26 nicht übermäßig zu verringern.