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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für einen
Gleichstrommotor mit einem Bürstenkommutator
zum Antreiben einer Kurbelwelle einer Membranpumpe und im Speziellen zum
Steuern der Entladung einer Gleichstrommotor-getriebenen Membranpumpe,
welche als dosierende Einspritzpumpe benutzt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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EP-A-0
363 672 offenbart, dass in einem Blutdruckmonitor bzw. einem Blutdrucküberwachungsgerät eine Blutdruckmanschette
durch eine Pumpe aufgeblasen wird, welche von einem elektrischen
Motor angetrieben wird. Ein Steuerschaltkreis berechnet die Rate
des Aufblasens der erwähnten Manschette über eine
vorbestimmte Periode, vergleicht die erwähnte Rate mit einer erwünschten
Rate und erzeugt ein Steuersignal, um die Stromlieferung des erwähnten Motors
einzustellen, um die Aufblasrate zu steuern. Die Motorgeschwindigkeit
bzw. die Motordrehzahl wird durch das Einstellen des Arbeitszyklus
bzw. Betriebszeitzyklus der Spannung gesteuert, die an den erwähnten Motor
angelegt wird.
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US-A-4
547 680 offenbart eine Membranpumpe, in welcher die Membran durch
einen hin- und her- bewegbaren Anker eines Elektromagneten deformierbar
ist, welcher bei einer ausgewählten
Frequenz durch einen Zeitgeberschaltkreis bzw. Timerschaltkreis
und bei einer zufälligen
Frequenz durch einen Pulsgenerator eingeschaltet werden kann. Der Pulsgenerator
kann mit dem Elektromagneten durch ein Kabel verbunden werden, welches
trennbare männliche
und weibliche Kopplungselemente hat, welche automatisch den Zeitgeberschaltkreis
deaktivieren, wenn das männliche
Kopplungselement in das weibliche Kopplungselement eingeführt wird.
Ein Auswahlschalter ist vorgesehen, um den Zeitgeberschaltkreis
unabhängig
von den Kopplungselementen zu deaktivieren. Ein Knopf dient dazu
ein Potentiometer des Zeitgeberschaltkreises gleichzeitig mit dem
Schließen
des Auswahlschalters einzu stellen, sodass die Frequenz, bei welcher
der Zeitgeberschaltkreis den Elektromagneten einschalten kann, auf
einen minimalen Wert reduziert wird.
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US-A-4,397,610
offenbart eine hin- und her- bewegbare Flüssigkeitspumpe, welche durch
einen elektrischen Gleichstrommotor angetrieben wird, worin die
Motorantriebsspannung und damit die Pumpenvorwärts- und -rückwärtsbewegung und der Ausgangsdruck
selektiv durch einen Schaltkreis gesteuert wird, welcher einen elektromechanischen Übertrager
bzw. Messwertgeber enthält,
welcher in druckfühlender
Beziehung an den Flüssigkeitspumpenausgang
gekoppelt ist, einen manuell betreibbaren Drucksollwertschalter
und einen siliziumgesteuerten Gleichrichterschaltkreis. Das Dokument
ist gerichtet auf Verbesserungen in der Druckregulierung und der Steuerung
für Pumpsysteme,
vorzugsweise Pumpsysteme, welche angepasst sind für tragbare
Farbsprühausrüstung, in
welcher der Druckfluktuationsbereich gegenüber Systemen nach dem Stand
der Technik um wenigstens eine Größenordnung reduziert werden
kann. Die Vorrichtung umfasst einen Gleichstrommotor, welcher in
antreibender Beziehung mechanisch an eine hin- und her- bewegbare Pumpe
gekoppelt ist, in welcher der Pumpenausgangsdruck von einer elektromechanischen
Fühl- bzw.
Messvorrichtung überwacht
wird, welche ein Spannungssignal liefert, das proportional zum Pumpenausgangsdruck
ist. Das Spannungssignal ist mit einem elektronischen Schaltkreis
verbunden, welcher als eine andere Eingangsgröße bzw. einen anderen Eingang,
eine manuelle Spannungseinstellung zum Einstellen eines Drucksollwerts
hat, wobei das Sollwertsignal und das Drucksignal verglichen werden
und die Differenz zwischen den zwei Signalen ein Fehlerantriebssignal
erzeugt, welches verstärkt wird
und mit einer Gleichspannungsreferenz und einem Zeit- bzw. Timingsignal
verglichen wird. Die Kombination von Timingsignal und Fehlerantriebssignal
wird benutzt, um ein Gating- bzw. Takt- bzw. Ansteuerungssignal über einen
Teil der Timingsignalperiode zu entwickeln. Das Ansteuerungssignal
wird in einen siliziumgesteuerten Gleichrichter- (silicon controlled
rectifier-SCR) Schaltkreis gespeist, zum Steuern der Ansteuerungszeit
bzw. der Gatingzeit des siliziumgesteuerten Gleichrichterschaltkreises,
um die Gleichspannungs-Antriebsspannung in den Motor zu regulieren.
Wenn die Sollwert und Drucksignale gleich werden, fällt der
SCR-Spannungsantrieb in den Motor auf nahe Null, aber der Motorantriebsstrom
bleibt bei dem Niveau, das notwendig ist um ausreichendes Motordrehmoment
zu entwickeln, um den Pumpenausgangsdruck beim Sollwert zu halten. Unter
anderen Sollwert- und Drucksignalbedingungen wird ein Gleichstrom-Antriebssignal
in den Motor gekoppelt, um eine Gleichstrom-Antriebsspannung von
ausreichender Größe vorzusehen,
um die Pumpe vorwärts
und rückwärts zu bewegen
und dadurch den Pumpenausgangsdruck inkrementell zum Sollwert zu
erhöhen.
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Im
Stand der Technik ist eine von einem elektrischen Motor getriebene
Membranpumpe gezeigt. Ein Elektromotor, der als Antriebseinrichtung
für eine Membranpumpe
benutzt wird, ist für
gewöhnlich
ein Schrittmotor oder ein DC-Motor (Direct Current Motor bzw. Gleichstrommotor).
Wenn ein Schrittmotor benutzt wird, wird die Entladung bzw. die
Ausgabe der Pumpe mittels des Steuerns einer Drehgeschwindigkeit
bzw. einer Drehzahl des Schrittmotors gesteuert, indem die Frequenz
oder das Arbeits- bzw. Betriebszeitverhältnis (duty ratio) von an den
Schrittmotor angelegten Pulsen modifiziert wird. Obwohl die Entladung
der Pumpe durch den Schrittmotor genau gesteuert wird, wie in 7 gezeigt,
abhängig
vom Betriebszeitverhältnis
der Pulse, wird die Entladung der Pumpe in so hohem Maße verändert, dass
sie nicht auf eine Membranpumpe für die Dosierung kleiner Mengen
anwendbar ist. Darüber
hinaus sind ein Schrittmotor und eine Pulsfrequenz-modulierende Einrichtung
oder eine Puls-Betriebszeit-Steuervorrichtung teuer und das Gewicht
dieser Einrichtungen ist hoch. In 7 wird die
Beziehung zwischen einer Drehzahl eines Schrittmotors und der Entladung
einer Membranpumpe in dem Fall illustriert, in dem eine Pulsbreite
(pulse width PW1) auf 40 ms, 100 ms und 200 ms gesetzt wird.
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In
dem Fall, in dem ein Gleichstrommotor zum Antreiben einer Membranpumpe
benutzt wird, wird an den Gleichstrommotor Gleichstrom bei einer konstanten
Spannung angelegt, um bei konstanter Geschwindigkeit bzw. Drehzahl
gedreht zu werden. Dabei entlädt
eine Membranpumpe kontinuierlich eine konstante Menge von Strömungsmittel.
Ein Fluss-Steuerventil muss vorgesehen werden in einer Leitung nach
dem Ausgabeanschluss der Membranpumpe zum Dosieren einer kleinen
Menge von Strömungsmittel.
Darüber hinaus
wird, wenn ein Gleichstrommotor kontinuierlich läuft, die Temperatur des Motors
hoch, wie in Kurve A in 6 gezeigt. Die Kurve A illustriert
die sich ändernde
Temperatur eines Gleichstrommotors, wenn er bei 3,600 Umdrehungen pro
Minute läuft
(2 V Gleichspannung angelegt).
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Eine
weitere Steuervorrichtung für
einen Gleichstrommotor als Betätiger
einer Membranpumpe ist es, die Drehmenge des Gleichstrommotors durch
die Anwendung von Pulsen zu regulieren. Wenn man Pulse anlegt, rotiert
ein Gleichstrommotor in unterbrochener Weise und der Pumpdruck der Membranpumpe
wird gesteuert, indem die angelegte Pulsspannung variiert wird und
die Entladung pro Pumpzyklus wird reguliert, indem das Betriebszeitverhältnis der
angelegten Pulse moduliert wird. In 6 zeigt
Kurve B die Temperatur eines Gleichstrommotors in diesem Fall. Die
Temperatur des Motors ist nicht so hoch, jedoch wird bei der ansteigenden
und fallenden Periode eines Pulses (wie in 6B gezeigt)
dem Gleichstrommotor wiederholt ein Überschiessen aufgeprägt, was
einen Funken am Kommutator des Motors erzeugt und Kohlenstoff in einer
Bürsten-Kontaktfläche eines
Kommutators ablagert. Dies resultiert in einer Reduktion der Servicelebensdauer
bzw. des Serviceintervalls des Gleichstrommotors.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
Anbetracht des Vorangehenden ist es das Hauptziel dieser Erfindung,
eine Steuervorrichtung für
einen Gleichstrommotor zum Antreiben einer Membranpumpe vorzusehen,
um eine vorbestimmte, kleine Menge von Strömungsmittel auf eine stabile Weise
zu liefern und zu steuern und welches die Servicelebensdauer des
Gleichstrommotors verlängern kann,
während
es die Kosten reduziert.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es eine Steuervorrichtung
für einen
Gleichstrommotor zum Antreiben einer Membranpumpe vorzusehen, welche
Pulse an den Gleichstrommotor anlegt, jedoch Spannungsüberschießen vermeidet,
wenn sie den Puls anlegt. Die Entladung einer Membranpumpe wird
reguliert, indem das Betriebszeitverhältnis oder die Frequenz der
angelegten Pulse modifiziert wird.
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Die
Steuervorrichtung für
einen Gleichstrommotor dieser Erfindung umfasst die Merkmale wie
in Anspruch 1 dargelegt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung können
aus den abhängigen
Ansprüchen
entnommen werden.
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Die
obigen und weitere Ziele und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden vollständig in
Erscheinung treten aus der folgenden, detaillierten Beschreibung,
wenn selbige in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen
wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel
eines Dosierungs-Membranpumpen-Steuersystems
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines Schaltkreises, welcher von der
Einrichtung aus 1 verwendet werden kann,
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3 ist
eine schematische Seitenansicht eines Beispiels einer Membranpumpe.
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4 ist
eine Wellenformgrafik bzw. ein Wellenformdiagramm der Pulsanlegung
an einen Gleichstrommotor.
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5 ist
ein Graph, der die Beziehungen zwischen Entladung und angelegtem
Puls-Betriebszeitverhältnis
eines Gleichstrommotors zeigt, der eine Membranpumpe antreibt in
den experimentellen Ergebnissen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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6 ist
ein Graph, der die Temperatur-Zeit-Beziehungen für einen Gleichstrommotor der Erfindung
und nach dem Stand der Technik zeigt.
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7 ist
ein Graph, der die Beziehungen zwischen Entladung bzw. Ausgabe und
angelegter Pulsbetriebszeit eines Schrittmotors, der eine Membranpumpe
antreibt, zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben.
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Das
Membranpumpen-Steuersystem, das in 1 gezeigt
ist, wird für
eine dosierende Einspritzpumpe benutzt. Die Membranpumpe 4,
die vom Gleichstrommotor 5 angetrieben wird, entlädt die Flüssigkeit 3 aus
einem Tank in einen Strömungsmittelkanal
bzw. eine Strömungsmittelleitung 1 durch eine
Einspritzröhre 2.
Die Flüssigkeit 3,
z. B. Desinfektionsmittel, wird mit fließendem Wasser in der Leitung 1 bei
einer vorbestimmten, konstanten Rate gemischt.
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Eine
Steuervorrichtung 6 liefert Pulse zum Gleichstrommotor 5 und
moduliert ein Betriebszeitverhältnis
oder eine Frequenz oder eine Spannung der Pulse, um Entladung der
Membranpumpe 4 zu regulieren. Ein Fluss-Sensor oder Drucksensor 7 ist in
der Leitung 1 vorgesehen, um eine Flussmenge in der Leitung 1 zu
detektieren und detektierte Signale werden zur Steuervorrichtung 6 geliefert.
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Eine
Steuervorrichtung 6 schließt einen Schaltkreis wie in 2 gezeigt
ein. Der Schaltkreis umfasst einen integrierten Pulserzeugungsschaltkreis 6a,
der einen astabilen Multivibrator hat, einen Pulsbreiten-Modulator
VR2, einen Frequenzmodulator VR1, einen Verstärkertransistor TR und einen
integrierten Schaltkreis zur variablen Spannungseinstellung 6b,
der einen Ausschalt-Schaltkreis
hat. Der integrierte Schaltkreis zur Spannungseinstellung 6b wird
benutzt zum Einstellen einer Puls-Basis-Spannung VCC2 und einer
Pulsspannung VCC1 eines Pulses vom integrierten Pulserzeugungsschaltkreis 6a.
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Eine
Membranpumpe wie in 3 gezeigt umfasst ein Gehäuseglied 11,
eine Membran 12, einen Ventilkörper 13 mit Ventilen 14, 14' die auf diesem
montiert sind und ein Kopfglied, welches einen Ansauganschluss 15 und
einen Entladeanschluss 16 hat. Die Membran 12 wird
an einem Halter 17 fixiert, welcher mit einer Verbindungsstange 18 verbunden ist.
Die Verbindungsstange 18 hat einen Ringteil, in welchem
eine Kurbelwelle 19 drehbar gelagert ist.
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Im
Betrieb des Membranpumpen-Steuersystems in 1 werden
eine Entladung pro Pumpzyklus und der erwünschte Pumpdruck durch Einstellung eines
Puls-Betriebszeitverhältnisses
und einer Pulsspannung mittels eines Modulators VR2 und eines integrierten
Schaltkreises zur Spannungseinstellung 6b reguliert, darüber hinaus
wird eine Entladung pro 1 Minute durch Einstellen einer Frequenz
mittels eines Modulators VR1 reguliert und eine Vorspannung als
Puls-Basis-Spannung wird mittels eines integrierten Schaltkreises
zur Spannungseinstellung 6b eingestellt. Die Puls-Basis-Spannung
hat solch ein Niveau, dass der Gleichstrommotor 5 nicht
rotiert wird. Dann liefert die Steuervorrichtung 6 die
Pulse zum Gleichstrommotor 5, der Gleichstrommotor 5 dreht sich
und das Drehmoment des Gleichstrommotors 5 wird auf die
Kurbelwelle 19 der Membranpumpe 4 übertragen,
um die Verbindungsstange und die Membran 12 hin- und herzubewegen.
Das Desinfektionsmittel 3 im Tank wird vom Ansauganschluss 15 angesaugt
und in die Strömungsmittelleitung 1 durch
den Entladeanschluss 16 und die Röhre 2 entladen. Das Desinfektionsmittel 3 wird
bei einem vorbestimmten Verhältnis
mit Wasser gemischt, das in der Leitung 1 fließt. Wenn
erwünscht,
wird das detektierte Signal des Fluss-Sensors 7 zur Steuervorrichtung 6 geliefert,
die Steuervorrichtung moduliert den Puls (PW1, PW2, VCC1 wie in 4 gezeigt)
automatisch abhängig
vom detektierten Signal, um die Entladung der Membranpumpe 4 zu
regulieren, dabei wird die Entladung des Desinfektionsmittels 3 zur
Flussmenge von Wasser in Leitung 1 proportioniert.
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Mittels
der Steuervorrichtung 6, welche eine Pulsbasisspannung
setzt, die in diesem Ausführungsbeispiel
ungefähr
1.0 V ist, kann eine Vorspannung an den Gleichstrommotor 5 angelegt
werden, sogar wenn der Gleichstrommotor 5 nicht rotiert
wird. Dies macht es möglich
zu verhindern, dass ein Hochspannungsüberschießen bei ansteigenden und fallenden
Flanken bzw. Kanten eines Pulses auftritt und einen hastigen bzw.
schnellen Strom, der an den Gleichstrommotor 5 angelegt
wird, zu reduzieren.
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5 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen der Entladung und einem Pumpzyklus
in Übereinstimmung
mit der Pulsbreite in den experimentellen Ergebnissen dieses Ausführungsbeispiels
zeigt. In 5 repräsentiert die vertikale Achse
die Entladung der Membranpumpe 4 und die horizontale Achse
repräsentiert
einen Pumpzyklus. Jede von vier Kurven gilt für den Fall dass der Gleichstrommotors 5 mit
einer Pulsbreite von 10 ms (Millisekunden), 15 ms, 18 ms und 20
ms beliefert wird. Man versteht, dass Entladung der Membranpumpe 4 bei
einer im Wesentlichen konstanten Rate in Proportion zur Pulsbreite
im Bereich von ungefähr
2.0 cc/min bis 20.0 cc/min erhöht
wird.
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Der
Gleichstrommotor der in dem Experiment benutzt wird ist ein gewöhnlicher
Gleichstrommotor, welcher einen Kommutator hat, sodass der Gleichstrommotor
benutzt werden kann, um einen dosierende Membranpumpe anzutreiben,
welche kontinuierlich Entladung reguliert, wenn die Steuervorrichtung 6 dieser
Erfindung benutzt wird.
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6 ist
ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Temperatur und der
Laufzeit des Gleichstrommotors 5 zeigt. In 6 ist
die Kurve, die durch das Symbol A repräsentiert wird, für den Fall der
Lieferung von Gleichstrom bei einer konstanten Spannung von 2 V
zum Gleichstrommotor, die Kurve die durch das Symbol B repräsentiert
wird, ist für
den Fall der Anlieferung von Pulsen, welche bei einer Pulsspannung
4 V (VCC1) und einer Pulsbasisspannung 0 V (VCC2, nicht-Vorspannung)
moduliert werden, die Kurve, welche durch das Symbol C repräsentiert
wird ist für
den Fall dieses Ausführungsbeispiels
der Erfindung, welches Pulse von 4 V (VCC1) und 1 V (VCC2) liefert.
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Die
Kurve A zeigt, dass die Temperatur in einer kurzen Laufzeit bei
3600 Umdrehungen pro Minute auf 56°C steigt. Die Kurve B zeigt,
dass die Temperatur des Gleichstrommotors auf 39°C bei einer Laufzeit von 280
Stunden steigt, jedoch mit einer Pulswellenform, die an den Gleichstrommotor
angelegt wird, wie sie in 6 gezeigt
wird, die ein Hochspannungsüberschießen bei
ansteigenden und fallenden Punkten des Pulses erzeugt und ein Funken tritt
an einer Bürstenkontaktfläche eines
Kommutators auf, um Kohlenstoff am Kommutator zu deponieren. Die
Kurve C zeigt die Temperaturcharakteristik im Fall dieser Erfindung,
wo eine Vorspannung an den Gleichstrommotor bei solch einem Niveau
angelegt wird, dass der Gleichstrommotor nicht rotiert wird, die
angelegte Pulswellenform ist in 6c gezeigt,
ein Überschiessen
wird beschränkt.
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Es
ist aus diesen Kurven und den Wellenformen klar, dass die Temperatur
des Gleichstrommotors dieser Erfindung ungefähr auf die Hälfte der Temperatur
des Typs A als dem bekannten Stand der Technik gesteuert wird, und
dass ein Hochspannungsüberschießen auf
ungefähr
2/3 von demjenigen des Typs B ohne angelegte Vorspannung beschränkt wird.
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Wie
oben beschrieben ist es evident, dass die Steuervorrichtung für eine Membranpumpe
der vorliegenden Erfindung eine Anordnung vorsehen soll, damit eine
Entladung einer Membranpumpe genau auf stabile Weise geregelt wird
durch die Benutzung eines gewöhnlichen
Gleichstrommotors mit Kommutator und eines einfachen Steuerschaltkreises,
welcher ein Pulserzeugungsmittel und Spannungseinstellmittel umfasst.
Darüber
hinaus wird gemäß der Steuervorrichtung
der vorliegenden Erfindung ein Hochspannungsüberschießen das erzeugt wird, wenn
ein Puls an einen Gleichstrommotor angelegt wird, mittels eines
Steuerschaltkreises beschränkt,
welcher Anlegemittel für
eine Vorspannung an einen Gleichstrommotor umfasst, sodass ein Gleichstrommotor
eine lange Servicelebensdauer hat.
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Während die
Erfindung im Detail und mit Bezug auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel
derselben beschrieben worden ist, wird es den Fachleuten offensichtlich
sein, dass verschiedene Veränderungen
und Modifikationen darin gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung,
wie er durch die angehängten
Ansprüche
definiert ist, abzuweichen.