DE7333432U - Kollektorloser gleichstrommotor - Google Patents

Description

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PAPST - MOTORENKG 21. Juni 1977

7742 St. Georgen im Schwarzwald 055-HDP/L

DT-353 G

Kollektorloser Gleichstrommotor

Die Neuerung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem zylindrischen Luftspalt und mit einem permanent-magnetischen Innen- oder Außenrotor, mit einer von einem Drehstellungsdetektor gesteuerten, im Betrieb ein Wechselfeld und damit ein Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment er-

zeugenden Wicklung, mit einem durch Veränderung des Statorblechpaketdurchmessers verursachten, über den Drehwinkel unterschiedlichen Luftspalt, wobei in bestimmten Drehwinkelbereichen durch Zusammenwirken des permanentmagnetischen Rotors und des Stators magnetische Energie speicherbar und dann in darauffolgenden Drehwinkelbereichen zur Überwindung der Momentlücken des elektromagnetischen Antriebsmoments wieder absehbar ist.

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Motoren dieser Art haben einen sehr einfachen Aufbau und ermög- ^J liehen auch bei kleinen Leistungen einen sehr guten Wirkungsgrad, was besonders bei batteriebetriebenen Geräten wichtig ist, um eine lange Lebensdauer der Batterien zu erreichen.

Um einen ruhigen Lauf solcher Motoren zu erreichen, ist man bestrebt, ihr an der Welle abgegebenes Moment über die ganze Rotordrehung weitgehend gleichförmig zu halten.

Nach der vorliegenden Neuerang geht man zu diesem Zweck so vor, daß bei einem Motor, dessen Rotormagnetpole jeweils eine etwa trapezförmige Magnetisierung mit schmalen Lücken zwischen den Polen aufweisen, der Winkelbereich der Rotordrehung, in dem der Rotor im Betrieb ein elektromagnetisches Antriebsmoment erfährt, etwa mit dem Winkelbereich zusammenfällt, in dem die Pollücken im Betrieb ein Gebiet in Drehrichtung abnehmenden äquivalenten Luftspalts durchlaufen, und daß der Winkelbereich der Rotordrehung, in dem der Rotor im Betrieb kein elektromagnetisches Antriebsmoment erfährt, etwa mit dem Winkelbereich zusammenfällt, in welchem die Pollücken im Betrieb ein Gebiet in Drehrichtung zunehmenden äquivalenten Luftspalts durchlaufen. Die angegebene Magnetisierung der Rotorpole ermöglicht die Erzeugung eines weitgehend gleichmäßigen elektromagnetischen Antriebsmoments, sofern der Strom im Stator über dem Stromflußwinkel nicht zu sehr schwankt. Obwohl naturgemäß auch bei einem erfindungsgemäßen Motor die eigentlichen physikalischen Wirkungen von den Polen des Rotors hervorgerufen werden, hat es sich gezeigt, daß man bei der Ausbildung des Luftspaltverlaufs im wesentlichen die Lage der Pollücken beachten muß, da im Bereich der Pole selbst die Induktion praktisch' gleichförmig ist. Dies wird im folgenden ausführlich erläutert.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch, daß zum Ausgleich des durch die Nuten des Stators im Bereich derselben bewirkten Induktionsabfalls der tatsächliche Luftspalt dort verkleinert ist. Hierdurch wird es ermöglicht, das an der Welle abgegebene Moment auch in denjenigen Winkelbereichen gleichmäßig zu halten, in denen die Pollücken über die Nutöffnungen hinweglaufen.

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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Er- / γλ findung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. 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 zwei Schaubilder zum Erläutern einer stabilen und einer und 4 labilen Stellung des Rotors, und

Fig. 5 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise der An-Ordnung nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Außenläufermotor 10 mit einem äußeren, als durchgehender Magnetring ausgebildeten zweipoligen Rotor 11, dessen Magnetisierung etwa gemäß Fig. 5a ausgebildet ist, also mit einer praktisch konstanten Induktion B im Bereich der Pole und mit schmalen Pollücken. Ersichtlich entspricht die in Fig. 5a dargestellte Magnetisierung nicht genau der Trapezform, wird aber im Sprachgebrauch des Elektromaschinenbaus als trapezförmig bezeichnet.

!Die Breite der Pollücken beircigt" z. B. 10 - 2o° elektrisch

In den Fig. 1 bis 4 sind die Stellen mit praktisch konstanter Induktion für den Nordpol mit schwarzer und für den Südpol mit grauer Farbe symbolisch angedeutet, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Es ist aber ausdrücklich darauf hinzuweisen, daß der gesarate Rotor 11 als radialmagnetisiertes permanentmagnetisches Teil, z. B. aus Bariumferrit, ausgebildet ist. - Die beiden Püllücken sind ebenfalls symbolisch angedeutet und mit 12 und 13 bezeichnet. Fig, 1 zeigt den Rotor 11 in einer seiner beiden stabilen Ruhestellungen, die er bei stromlosem Zustand

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des Motors einnehmen kann. Diese Ruhestellungen sind durch die Form des Luftspalts und die Form der Magnetisierung B (Fig. 5a) bestimmt. Im Betrieb läuft der Rotor 11 in Richtung des Pfeiles 14.

Der Stator 15 des Motors 10 ist als Doppel-T-Anker mit einem oberen Pol 16 und einem unteren Pol 17 ausgebildet, welche beide . _ etwa die Umrißform eines Regenschirms haben, also jeweils fast den gesamten Polbogen umspannen, und welche zwischen sich zwei Nuten 18 und 19 einschließen, in denen zwei in Reihe geschaltete Wicklungshälften 20 und 21 einer einsträngigen Wicklung angeordnet sind, deren Mittelanzapfung an einen Pluspol 22 geführt ist, und deren freie Enden mit 23 bzw. 24 bezeichnet sind. Ein Hallgenerator 25 (oder ein äquivalentes Kommutierglied) ist an der Öffnung der Nut 19 oder einer elektrisch äquivalenten Stelle am Stator 15 angeordnet.

Der Luftspalt 26 über dem Pol 16 und der Luftspalt 27 über dem Pol 17 sind erfindungsgemäß jeweils in besonderer Weise ausgebildet. Dabei kommt es naturgemäß nur auf die wirksame Luftspaltgröße an den einzelnen Stellen an, d. h., daß ζ. B. ein aus verschiedenen, an den einzelnen Stellen ungleiche Durchmesser aufweisenden Blechen geschichteter Stator an den einzelnen Stellen W seines Umfangs jeweils eine gemittelte Spaltgröße entsprechend

S der Erfindung haben muß; aus diesem Grund wird der wirksame Luftspalt im folgenden auch als "äquivalenter Luftspalt" bezeichnet, und zwar im Gegensatz zum tatsächlichen Luftspalt, wie er nach außen hin in Erscheinung tritt. Für die folgende Beschreibung wird ein Stator 15 vorausgesetzt, welcher aus untereinander identischen Blechen geschichtet ist. Auch hier ergeben sich noch Unterschiede zwischen dem tatsächlichen Verlauf des Luftspalts und dem Verlauf des wirksamen oder "äquivalenten" Luftspalts, und zwar an den Öffnungen der Nuten 18 und 19, wie das im folgenden erläutert wird.

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Pig. 2 zeigt eine Abwicklung des oberen Luftspalts 26, welcher X punktsymmetrisch zum unteren Luftspalt 27 verläuft. In Pig. 2 ' ist oben der Rotor 11 und unten der Stator 15 dargestellt, also ein Polbogen von 180° elektrisch. Ausgehend von der Nut 18 nimnt der tatsächliche Luftspalt 26 über einem ersten Winkel alpha (c. B. 10 - 15° elektrisch) monoton bis zu einer Stelle 30 zu, an welcher der Maximalwert d₂ des Luftspalts 26 erreicht wird. Von da an nimmt der batsächliche Luftspalt 26 über einem zweiten Winkelbereich \<. a (ζ. B. 8C - 170° elektrisch) monoton ab bis etwa zur Öffnung der Nut 19, wo der Minimalwert d. des tatsächlichen Luftspalts 26 erreicht wird. Von hier aus nimmt der an den Luftspalt 26 anschließende Luftspalt 27 wieder monoton bis ΓΙ zur nächsten Stelle 30 hin zu.

Da die Öffnungen der Nuten 18 und 19 zum Einbringen der Wicklung 20, 21 und ihrer Isolation eine bestimmte Größe haben müssen, bewirken sie, daß der äquivalente Luftspalt im Bereich dieser Nutöffnungen wesentlich größer ist und etwa den Verlauf hat, der in Pig. 2 mit 32 für die Nut 18 und mit 33 für die Nut 19 bezeichnet ist, d. h., der äquivalente Luftspalt hat sein Minimum d, etwa an den beiden Stellen 34 und 35, welche jeweils um einen Winkel gamma (ζ. B. 10 - 40° elektrisch) vor der zugeordneten Nutöffnung liegen. (Bei einem Motor mit geschlossenen Nuten 18 und 19 müßte der Luftspalt den durch die Linien 32 und 33 angegebenen tatsächlichen Verlauf haben.) Die beiden Winkel alpha und gamma ergeben also zusammen einen Winkel delta, innerhalb dessen der äquivalente Luftspalt in Drehrichtung gesehen zunimnt. Dieser äquivalente Luftspalt ist für die Form des Reluktanzmoments maßgebend. Zweckmäßig legt man diesen Winkel delta so, daß der Hallgenerator 25 etwa in seiner Mitte oder um η · 180° elektrisch gegenüber dieser Mitte versetzt angeordnet ist, wobei η = 1, 2, ... etc.

Die Pig. 1 bis 3 zeigen übereinstimmend den Rotor 11 in seiner stabilen Ruhestellung, in der die beiden Pole des Rotors jeweils Gebieten kleinen Luftspalts gegenüberliegen und die Lage der Pollücken 12, 13 etwa mit den Stellen 30 größten Luftspalta überein-

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stimmt, da in dieser Lage der magnetische Widorstand i§v- Luftspalts ramⁿgS,ringsten ist.

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Verdreht man den Rutor 11 um den Winkel beta in Drehrichtung aus dieser stabilen Ruhelage, so muß man hierzu dem Rotor 11 von außen Energie zuführen, da sich der magnetische Widerstand im Luftspalt vergrößert, oder anders gesagt, der Rotor 11 wird durch ein Reluktanzmoment gebremst. Im Betrieb wird diese Energie durch den Strom in der Wicklung 20 oder 21 zugeführt.

Nach Verdrehung um den Winkel beta erreicht der Rotor 11 die Lage nach Fig. 4, in der seine Pollücken 12 und 13 sozusagen auf den Stellen 3.4, 35 kleinsten äquivalenten Luftspalts reiten. In dieser Lage ist der magnetische Widerstand im Luftspalt am größten, d. h., hier ist die größte magnetische Energie im Motor gespeichert, und der Rotor 11 hat in dieser instabilen oder labilen Lage das Bestreben, sich in der einen oder der anderen Richtung so weit zu drehen, bis er wieder eine der beiden möglichen stabilen Lagen erreicht. Wird der Rotor 11 z. B. in Richtung des Pfeiles 14 weitergedreht, so gibt er auch ohne Zufuhr elektrischen Stromes ein Drehmoment ab, das bei geeigneter gleichmäßiger Ausbildung der Zunahme des äquivalenten Luftspalts eine praktisch konstante Amplitude hat.

Man erkennt also, daß ein bremsendes Reluktanzmoment etwa im Winkelbereich beta vorhanden ist, in welchem die Pollücken 12, 13 über Gebiete abnehmenden äquivalenten Luftspalts hinweglaufen, und daß ein antreibendes Reluktanzmoment etwa ic Winkelbereich delta vorhanden ist, in welchem die Pollücken 12, 13 über Gebiete zunehmenden äquivalenten Luftspalts hinweglaufen, und man erkennt ferner, daß es wie dargestellt möglich ist, die für die Herstellung des Motors unvermeidlichen Nutöffnungen 18, 19 dadurch zu kompensieren, daß man den tatsächlichen Luftspalt im Bereich dieser Nutöffnungen verkleinert.

Zum Steuern des Stromes in den Wicklungen 20 und 21 abhängig von der Lage der Pole des Rotors 11 dient der Hallgenerator 25» dessen einer Steueranschluß über einen Widerstand 36 mit dem Pluspol 22 verbunden ist, während sein anderer Jteueranschluß mit einer Minusleitung 37 einer Gleichspannungsquelle (z. B. 24 V)

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verbunden ist. Die beiden Ausgänge des Hallgenerators 25 sind mit den Basen zweier npn-Transistoren 58 und 59 verbunden, deren _N Emitter mit der Minusleitung 37 verbunden sind, während der Kollektor des Transistors 58 rcit dem Ansohluß 24 und der Kollektor des Transistors 39 mit dem Anschluß 25 der Wicklung 20 bzw. 21 verbunden ist. Auf diese Welse wird bei der Umdrehung des Rotors 11 beim Vorbeilaufen des Süduols (wie in Pig. 1 und 2 dargestellt) am Hallgenerator 25 praktisch während des gesamten, symbolisch grau dargestellten Winlcelbereichs der Transistor ... und damit.die Wicklung ??, eingeschaltet, und ebenso wird beim Vorbeilaufen des Nordpols praktisch während des gesamten, symbolisch schwarz dargestellten Winkelbereichs der Transistor ??. und damit die Wicklung ΛΧ eingeschaltet. Der Strom in den Wicklungen 20 oder 21 ist also nur beim Vorbeilaufen der Pollücken bzw. ¹5 am Hallgenerator 25 völlig unterbrochen und nimmt dann entsprechend der Zunahme der Induktion bis zu einem praktisch konstanten Maximalwert zu, wie daa in Fig. 5b für die Ströme i,_Q und i,q in den Transistoren 38 und 39 dargestellt ist. In Verbindung mit der im Bereich der Rotorpole gemäß Fig. 5a praktisch konstanten Induktion ergibt sich ein praktisch konstantes elektromagnetisches Antriebsmoment Mn» wie es in Pig. 5c dargestellt ist. Dieses Moment hat nur relativ schmale Lücken 45. In dieser Lücken wird das antreibende Reluktunzmoment wirksam.

S Fig. 5d zeigt den Verlauf des mit M„_Ä, bezeichneten Reluktanz-Mit/⁷⁶-¹·
moments über einer Rotorumdrehung./46 ist die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte stabile Rotorstellung bezeichnet, und mit 47 die in Fig. 4 dargestellte labile Rotorstellung. In beiden Fallen durchläuft das Reluktanzmoment den Wert 0, Man erkennt ferner den Bereich des mit 48 bezeichneten bremsenden Reluktanzmoments zwischen diesen Punkten 46 und 47, dessen Länge im wesentlichen durch den Winkel beta bestimmt ist, und den an den Punkt 47 anschließenden Bereich des mit 49 bezeichneten antreibenden Reluktanzmoments, dessen Länge im wesentlichen durch den Winkel delta bestimmt ist. An den Bereich 49 schließt sich wieder ein stabiler Punkt 50 Ui.1 dann ein labiler Punkt 51 an, d. h., ein solcher Motor durchläuft pro Umdrehung zwei stabile und zwei labile

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Rotorstellungen. Sieht man von den Ummagnetisierungsverlusten im magnetischen Kreis eines solchen Motors ab, so muß die zwischen den Punkten 46 und 47 gespeicherte magnetische Energie, die durch ein Minuszeichen symbolisch gekennzeichnet ist, gleich groß sein wie die zwischen den Punkten 47 und 50 abgegebene, symbolisch mit einem Pluszeichen bezeichnete magnetische Energie, d. h., wenn z. B. der Winkel beta groß und der Winkel delta klein gewählt wird, hat der Bereich 48 des Reluktanzmoraents einen kleinen und der Bereich 49 einen großen Absolutwert seiner Amplitude.

Fig. 5e'zeigt die Überlagerung der beiden Momente M -. und Μη» welche zusammen ein praktisch konstantes Moment M an der

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(nicht dargestellten) Ausgangswelle des Mtors 10 ergeben. Um •Ϊ dies zu erreichen, müssen M , und M , wie dargestellt spiegelbildlich zu einer Geraden 52 verlaufen, welche 50 % von M

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entspricht. Naturgemäß läßt sich diese Bedingung in den seltensten Fällen genau erfüllen, doch hat es sich gezeigt, daß man mit Hilfe der Erfindung ein Ausgangsmoment erhalten kann, das einen weitgehend gleichförmigen Verlauf hat. Der Wert dieses Moments ist sozusagen in den Motor einprogrammiert, d. h., ein solcher Motor muß an den jeweiligen Anwendungsfall und das dort verlangte Moment ungefähr angepaßt sein, wenr. man optimale Ergebnisse erzielen will.

Nach der Lehre der vorliegenden ^euerufiCf kann man naturgemäß ebenso einen Innenläufermctor ausbilden, wobei dann Stator und Rotor in der Abwicklung dasselbe Bild ergeben, wie es in Pig. 2 dargestellt ist. Innenläufermotoren dieser Art sind in der

DT- 05 22 25 442 xuid in der DT- 05

25 14 259 < dargestellt, weshalb eine gesonderte Darstellung in der vorliegenden Anmeldung nicht erforderlich ist.

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Rotorstellungen. Sieht man von den Ummagnetisierungaverlusten im magnetischen Kreis eines solchen Motors ab, so muß die zwischen den Punkten 46 und 47 gespeicherte magnetische Energie, die durch ein Minuszeichen symbolisch gekennzeichnet ist, gleich groß sein wie die zwischen den Punkten 47 und 50 abgegebene, i.-;ymbolisch mjt einem Pluszeichen bezeichnete magnetische Energie, d. h,, wenn z. B. der Winkel beta groß und der Winkel delta klein gewählt v/ird, hat der Bereich 48 des Reluktanzraoraents einen kleinen und der Bereich 49 einen großen Absolutwert seiner Amplitude. !

■ Fig. 5e'zeigt die Überlagerung der beiden Momente Μ_ωΊ und Μ_._η,

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welche zusammen ein praktisch konstantes Moment M an der (nicht dargestellten) Ausgangswelle des Mtors 10 ergeben. Um /S dies zu erreichen, müs.sen M , und M , wie dargestellt spiegelbildlich zu einer Geraden 52 verlaufen, welche 50 % von M„_QO

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entspricht. Naturgemäß läßt sich diese Bedingung in den seltensten Fällen genau erfüllen, doch hat es sich gezeigt, daß man mit Hilfe der Erfindung ein Ausgangsmoment erhalten kann, das einen weitgehend gleichförmigen Verlauf hat. Der Wert dieses Moments ist sozusagen in den Motor einprogrammiert, d. h., ein solcher Motor muß an den jeweiligen Anwendungsfall und das dort verlangte Moment ungefähr angepaßt sein, wenn man optimale Ergebnisse erzielen will.

α Nach der Lehre der vorliegenden Ntfueru/icj kann man naturgemäß ebenso einen Innenläufermotor ausbilden, wobei dann Stator und Rotor in der Abwicklung dasselbe Bild ergeben, wie es j η Fig. 2 dargestellt ist. Innenläufermotoren dieser Art sind in der

DT-05 22 25 442 und in der JDT-OS

23 14 259 > dargestellt, weshalb eine gesonderte Darstellung in der vorliegenden Anmeldung nicht erforderlich ist.

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Claims (6)

24.3,1977 St.Georgen/Schw. ■·,,· : ; DT-153G

1. Kollcktorloscr Glclchslrommolor mit einem zylindrischen Luftspalt und mil einem permanent- $ magnetischen Innen· oder AuDcnrotor, mit einer' von einem Drehstellungsdetektor gesteuerten, im

, Betrieb ein Wechselfeld und damit ein Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugenden Wicklung, mit einem durch Verände· to

, rung des Statorblechpaketdurchmessers verursachten, über den Drchwinkcl unterschiedlichen Luftspalt, wobei in bestimmten Drehwinkclbereichen durch Zusammenwirken c\s permanentmagnet!· sehen Rotors und des Stators magnetische Energie speicherbar und dann in darauffolgenden Drehwinkelbereichen zur Überwindung der Momenilücken des elektromagnetischen Antriebsmoments wieder abgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotormagnetpole jeweils eine etwa trapezförmige Magnetisierung mit schmalen Lücken (12, 13) zwischen Jen Polen aufweisen, der Drehwinkelbereich, in dem der Rotor (11) im Betrieb ein elektromagnetisches Antriebsmoment (Mti) erhält, etwa mit dem Winkelbereich (ß) zusammenfällt, in dem die Pollücken (12, 13) ein Gebiet in Drehrichtung abnehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts (26, 27) durchlaufen, und daß der Drehwinkelbereich, in dem der Rotor (11) im Betrieb kein elektromagnetisches Antriebsmoment erhält, etwa mit dem Winkelbereich (<5) zusammenfällt, in dem die Pollücken (12, 13) ein Gebiet in Drehrichtung zunehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts (31,33) durchlaufen.

2. Kolieklorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zum Ausgleich des durch die Nutöffnungen (18, 19) des Statorblechpaketes (16) im Bereich derselben bewirkten Induktionsabfalls der tatsächliche Luftspalt dort so verkleinert ist, daß sich der

' erforderliche magnetisch wirksame Luftspalt (32,33) ergibt.

3. Kollektorloser Gieichstrommoto/· nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb an den Stellen, an denen die Pollücken (12, 13) den Stellen größten magnetisch wirksamen Luftspalts gegenüberliegen, der Motorstrom jeweils größer als Null ist (vpl. F i g. 5).

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche J bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete in Drehrichtung zunehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts (32, 33) etwa symmetrisch zur Lage des Drchstellung detektors und zu den von dieser Winkellage um 0180° elektrisch entfernten Stellen verlaufen, wobei/?= 1,2,...ist.

5. Kollckiorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Drehstellungsdetektor als Hallgencra'or (2 >) ausgebildet ist.

6. Koücktorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Pollücken etwa 10 ... 20° elektrisch beträgt.

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