DE2730142A1

DE2730142A1 - Kollektorloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2730142A1
Application number: DE19772730142
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Ing Mueller
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1977-07-04
Filing date: 1977-07-04
Publication date: 1979-01-11
Also published as: CH642496A5; JPS5441406A; FR2397089B1; US4211963A; GB2000646B; DE2730142C2; FR2397089A1; HK5885A; GB2000646A; JPS6235347B2; US4322666A; US4371817A

Description

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273QU2

- (ο - STUTTGART, den 14. 6. 1977 τετΕ P61.32D86

PAPST - MOTOREN KG
Karl-Haier-Str. 1

7742 St. Georgen

Kollektorloser Gleichstrommotor

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem permanentenmagnetischen Rotor und einer zwei Wicklungsgruppen aufweisenden Statorwicklung, welche Wicklungsgruppen - gesteuert von mindestens einem die jeweilige Lage des Rotors erfassenden Sensor - im Betrieb alternierend von einem impulsförmigen unidirektionalen Strom durchflossen werden.

Ein derartiger Motor ist bekannt aus der DT-OS 22 25 442. Dieser Mcjtor nutzt das magnetische Material, das bei ihm verwendet wird, sehr gut aus und benötigt nur eine einfache und daher preiswerte elektronische Steuerschaltung, insbesondere nur einen einzigen Hallgenerator, der direkt vom Rotormagneten gesteuert werden kann, also im Luftspalt dieses Motors angeordnet werden kann und deshalb keinen besonderen Raum benötigt. Der Motor benötigt aber zur Erzielung eines gleichmäßigen Antriebsmoments ein zusätzliches Hilfsmoment, das sogenannte Reluktanzmoment, welches auf ein bestimmtes, vom Motor verlangtes Drehmoment abgestimmt ist. Ohne dieses Hilfsmoment würde das vom Motor erzeugte Moment Lücken aufweisen, was bei vielen Anwendungsfällen nicht zulässig oder zumindest unerwünscht ist.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, den genannten Motor so zu verbessern, daß er auch ohne das vorgenannte Hilfsmoment ein Antriebsmoment erzeugen kann, welches von Lücken im wesentlichen frei und vorzugsweise von großer Gleichförmigkeit ist, wobei überdies eine preiswerte Konstruktion, insbesondere auch hinsichtlich der Kommutierungsanordnung und der für die Kommutierung des Motorstroms erforderlichen SChaltelelemente, angestrebt wird.

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Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 genannten Maßnahmen. Ein solcher Motor gibt im Betrieb ständig ein elektromagnetisch erzeugtes Moment ab. Er benötigt nur zwei Wicklungsgruppen, welche z.B. von einem einzigen Hallgenerator gesteuert werden können, ist also auch hinsichtlich der Steuerelektronik sehr preiswert. Das elektromagnetisch erzeugte Drehmoment paßt sich automatisch der Belastung des Motors an, d.h. ein Motor nach der Erfindung kann genau wie die bekannten mehrsträngigen, mehrpulsigen kollektorlosen Gleichstrommotoren (im Sinne der Definition in asr. digest für angewandte Antriebstechnik, Heft 1/2 1977, S. 27-31) für Antriebe verwendet werden, bei denen das abzugebende Moment in relativ weiten Grenzen schwankt. Es ist ferner möglich, mit einem solchen Motor ein elektromagnetisches Antriebsmoment von sehr hoher Gleichförmigkeit zu erzeugen.

Dabai geht man nach der Erfindung mit besonderem Vorteil so vor, daß die mit den jeweils danebenliegenden Monopol-Zonen gleichnamigen Magnetbereiche der Dipolzonen in derselben Umlaufbahn liegen, daß als Sensor zum Steuern der Ströme in den beiden Wicklungsgruppen der Statorwicklung mindestens ein galvanomagnetischer Sensor vorgesehen ist, und daß dieser Sensor bzw. diese Sensoren am Stator im Bereich derjenigen Umlaufbahn liegt bzw. liegen, die von den mit den danebenliegenden Monopolzonen gleichnamigen Magnetbereichen der Dipolzonen überstrichen ist. Man kann so den galvanomagnetischen Sensor, also vorzugsweise einen Hallgenerator, direkt im Magnetfeld des Rotors und im Bereich der genannten Umlaufbahn anordnen, d.h. die Kommutierungsanordnung wird außerordentlich einfach und preiswert, da besondere Zusatzeinrichtungen für die Kommutierung, z.B. getrennte Steuermagnete, Kontakte, Induktionsspulen oder dergl., entfallen.Der magnetisierte Bereich der genannten Umlaufbahn braucht dabei im Bereich der Dipolzone nur so breit zu sein, daß er diesen galvanomagnetischen Sensor richtig auszusteuern vermag.

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Die Erfindung wird bevorzugt bei Motoren verwendet, welche vier oder mehr Pole haben. Bei Motoren mit ebenem Luftspalt wird bevorzugt eine eisenlose Statorwicklung verwendet, und bei Motoren mit zylindrischem Luftspalt (Innen- oder Außenläufern) wird bevorzugt ein nutenloser Stator verwendet, um störende Reluktanzmomente ganz oder jedenfalls weitgehend zu vermeiden.

Zur Erzielung eines von Schwankungen freien elektromagnetischen Antriebsmoments geht man ferner nach der Erfindung mit großem Vorteil so vor, daß die Statorspulen jeweils durch Abschrägung ihrer Kanten dort flächenmäßig verkleinert sind, wo sie über derjenigen Umlaufbahn des Rotors liegen, in der die Monopolzonen und die an sie ausschließenden Abschnitte der Dipolzonen jeweils gleichnamig sind. Mit dieser Maßnahme gelingt es, störende Momentenschwankungen weitgehend zu vermeiden, wie das im folgenden im einzelnen erläutert wird.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß im Luftspalt eine Tachogeneratorwicklung' vorgesehen ist, welche sich so weit erstreckt, daß sie nur den Fluß eines der beiden entgegengesetzten Magnete jeder Dipolzone erfaßt. Eine solche Tachowicklung, z.B. in Form einer gedruckten Schaltung, die auf eine Isolierfolie aufgedruckt ist, gibt im Betrieb eine Tachospannung mit einer Frequenz ab_fdie das dreifache der Frequenz beträgt, die in der Motorwicklung selbst vom umlaufenden Rotormagneten induziert wird, d.h. ihr Ausgangssignal kann mit großem Vorteil für einen Drehzahlregler verwendet werden, der in Abhängigkeit von der ihm zugeführten Frequenz die Drehzahl regelt. Verwendet man/solche Folien mit aufgedruckter Tachowicklung und versetzt sie jeweils gegeneinander um 180° el./n zueinander, so läßt sich die Frequenz nochmals erhöhen, da man dann ein Mehrphasensystem erhält, bei dem man durch Vollweggleichrichtung - ggf. nach Vorverstärkung - eine Gleichspannung mit einer überlagerten Wechselspannung relativ hoher Frequenz erhält.

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Die Erfindung läßt sich also in sehr eleganter Weise weiterbilden und hat ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere für geregelte Antriebe in der Phono- und Videotechnik.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines kollektorlosen Gleichstrommotors, der hier ein Motor mit flachem (ebenem) Luftspalt ist,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf den Motor der Fig.1, gesehen etwa längs der Linie II-II der Fig. 1, wobei der Deutlichkeit halber die die Statorwicklung tragende Isolierplatte nicht dargestellt ist, zusammen mit der zugehörigen Schaltungsanordnung für die Kommutierung des Motorstroms zwischen den beiden • Spulen dieses Motors,

Fig. 3 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise des Motors Fig. 6 nach den Figuren 1 und 2,

Fig. 7 eine alternative Anordnung des Hallgenerators 53 bei dem Motor nach den Figuren 1 und 2, und die hierfür erforderliche Form der Rotormagnetisierung,

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Rotor für einen 4-poligen Flachmotor,

Fig. 9 eine Spulenanordnung für den 4-poligen Motor nach Fig. 8,

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AO

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Fig. 10 einen schnitt (senkrecht zur Drehachse) durch einen 2-poligen Außenläufermotor nach der Erfindung, also durch einen Motor mit zylindrischem Luftspalt,

Fig. 11 eine Abwicklung des Rotors nach Fig. 10, wobei die Statorspulen zur Erläuterung schematisch dargestellt sind,

Fig. 12 einen Schnitt analog Fig. 10 durch eine Ausführungsform eines 4-poligen Außenläufermotors nach der Erfindung,

Fig. 13 eine Abwicklung des Rotors nach Fig. 12, wobei die Statorspulen schematisch angedeutet sind,

Fig. 14 einen Schnitt analog Fig. 12 durch eine etwas modifizierte Ausführungsform eines 4-poligen Außenläufermotors nach der Erfindung,

Fig. 15 eine Abwicklung des Motors nach Fig. 14, wobei die Statorspulen schematisch angedeutet sind,

Fig. 16· ein« Darstellung einer als Schleifenwicklung ausgebildeten Tachogeneratorwicklung zur Verwendung in einem Flachmotor der in Fig. 8 und 9 dargestellten Art, und

Fig. 17 eine Darstellung einer als Wellenwicklung ausgebildeten Tachogeneratorwicklung zur Verwendung in einem Flachmotor der in Fig. 8 und 9 dargestellten Art.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Rotorwelle bezeichnet, auf der mit Preßsitz eine als Riemenscheibe ausgebildete Nabe 2 aus Metall= Spritzguß sitzt, die in eine zentrale Ausnehmung 3 einer weich= magnetischen Rückschlußscheibe 4 eingegossen ist. An der Scheibe 4 ist ein ringförmiger, axial magnetisierter Ringmagnet

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koaxial zur Welle 1 befestigt. Die Scheibe 4 und der Magnet 5 bilden mit der Nabe 2 die obere Rotorscheibe 6. Die Nabe 2 hat ein Sackloch 7, dessen Stirnfläche mittelbar als Anläuffläche 8 für ein mit axialem Spielsitz auf die Welle 1 gestecktes Lagerrohr 9 dient. Diese Bauweise ist axial sehr kompakt. Der durch den Doppelpfeil Io angezeigte axiale Abstand zwischen dieser Anlauffläche 8 und der dem ebenen Luftspalt 11 zugewandten Fläche 12 der oberen Rotorscheibe 6 ist toleranzarm bemessen. Das Lagerrohr 9 besteht aus Sintermetall und ist an seinen beiden Enden zu Gleitlagern 13, 14 verjüngt. Auf dem erweiterten Mittelteil 15 des LagerVohrs 9 sitzt mit Preßsitz eine Flanschscheibe 16, an deren von der Rotorscheibe 6 abgewandten Stirnseite 17 eine Statorplatine 18 durch Kleben befestigt ist. In die aus einer geeigneten Kunststoffplatte gestanzte und mit einer gedruckten Schaltung versehene Statorplatine 18 sind zwei diametral einander gegenüberliegende Spulen 19, 2o eingeklebt. Zwischen der Anlauffläche 8 und der oberen Stirnfläche 21 des Lagerrohrs 9 liegen zwei Stahlscheiben 23, 24.

Die untere Rotorscheibe 25 ist eine weichmagnetische Rückschlußscheibe, die mit Spielütz auf die Welle 1 gesteckt ist und infolge des durch den Magneten 5 ausgeübten axialen Zuges an einer in, einem Einstich 26 der Welle 1 eingesetzten Sperrscheibe 27 anliegt. Der Gesamtluftspalt ist mit 29 bezeichnet, die obere Distanz zwischen Rotor und Stator mit 11 und die untere Distanz mit 11'. Die Stirnflächen des Lagerrohrs 9 sind durch die Sperrscheibe 27 von dem durch den Magneten 5 ausgeübten axialen Zug entlastet.

Ein Klemmring 32 sichert die Rotorscheibe 25 gegen Abrutschen von der Welle 1. - .Die gesamte vorgenannte mechanische Konstruktion, die nur als Beispiel für eine Vielzahl möglicher Konstruktionsformen angegeben wird, ist ausführlich beschrieben in der DT-OS 24 35 356, ist also bekannt und als solche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Gemäß Fig. 2 unterscheidet sich aber der vorliegende Motor

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in wesentlichen Punkten von dem bekannten Motor. Fig. Z zeigt - zur Verdeutlichung der Erfindung - den mechanischen Aufbau des Motors nur ganz schematisch.

Der Rotor 5 ist beim dargestellten Ausflihrungsbeispiel 2-polig und kann in 4 charakteristische Zonen eingeteilt werden;

a. eine durchgehend als Nordpol magnetisierte Zone 35, die sich über etwa 12o° el. erstreckt (bei dieser 2-poligen Konstruk- 'tion sind magnetische Grade gleich elektrische Grade))

b. eine durchgehend als Südpol magnetisierte Zone 36, die sich ebenfalls über etwa 12o° el. erstreckt;

diese beiden Zonen 35 und 36 werden wegen ihrer gleichförmigen Magnetisierung mit jeweils nur einem Pol als "Monopol-Zonen" bezeichnet;

c. Eine erste, sich in Drehrichtung (Pfeil 37 der Fig. 2) an die Monopol-Zone 36 anschließende Dipol-Zone 38 mit einer Winkelerstreckung von etwa 6o°, und daran in Drehrichtung 37 anschließend

d. eine zweite, sich ebenfalls über etwa 6o° el. erstreckende Dipolzone 39.

Die Dipolzonen 38 und 39 sind - anders als die Monopolzonen 35 und 36 - nicht über d'.e gesamte radiale Breite gleichförmig magne= tisiert, sondern längs eines (gedachten) Radiusvektors wechselt bei ihnen die Richtung des Magnetfeldes. So ist in der Dipol= zone 38 wie dargestellt das äußere Ringsegment 41 ein Südpol, das innere Ringsegment 42 ein Nordpol, und in der Dipolzone 39 ist das äußere Ringsegment 4 3 ein Nordpol und das innere Ring= segment 44 ein Südpol. Die radiale Breite und/oder die Magne= tisierung der einzelnen Ringsegmente ist bevorzugt so ge= wählt, daß die magnetischen Flüsse der Ringsegmente 41 und 42 dem Betrage nach möglichst gleich sind. Dasselbe gilt für die magnetischen Flüsse der Ringsegmente 43 und 44. Diese Gleichheit der Flüsse in den einzelnen Segmenten der Dipolzonen ist wichtig für die Erzeugung eines gleichförmigen Drehmoments.— Es er= ganzen sich jeweils eine Monopolzone und eine angrenzende Dipol= zone zu einer Polteilung, also zu 180 el.

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Die Statorspulen 19 und 20 des eisenlosen Stators sind bei der dargestellten Ausführungsform etwa sektorförmig ausgebildet. Ihre magnetisch aktiven Abschnitte 47 und 48 bzw. 49 und 50, die bevorzugt jeweils zwischen 10 und 50 el. breit sind, schließen wie dargestellt jeweils einen Winkel von etwa 120 el. miteinander ein. Diese aktiven Abschnitte verlaufen radial nach außen, ebenso die Grenzen zwischen den Zonen 35, 36, 38 und 39, d.h. wenn - wie bei den Abschnitten 49 und 50 dargestellt - diese über solchen Grenzen liegen, verlaufen diese Abschnitte und die Grenzen etwa parallel zueinander. Im folgenden werden aller= dings bevorzugte Spulenformen beschrieben, wo dies nur teil= weise der Fall.ist, um den Verlauf des vom Motor abgegebenen Drehmoments möglichst gleichförmig zu machen. - Die äußeren und inneren Rückschlußabschnitte der Spulen 19 und 20 können im wesentlichen außerhalb des Magnetfelds des Rotors verlaufen. Als besonders zweckmäßig - auch bei den folgenden Ausführungs= beispielen - hat es sich erwiesen, wenn die Breite B des Spulenfensters jeweils etwa 90 % der Breite B des Rotor= magneten 5 beträgt. In Fig. 2 ist dieses bevorzugte Ver= hältnis nicht dargestellt, um die Zeichnung übersichtlich zu halten.

Hie dargestellt, geht, der Südpol der Monopolzone 36 direkt in den SUdpol des äußeren Ringsegments 41 der Dipolzone 38 über. Ebenso geht der Nordpol des äußeren Ringsegments 43 der Dipolzone 39 direkt über in den Nordpol der Monopolzone 35. Die äußere Umlaufbahn des Rotormagneten 5 ist also etwa 18o° lang mit einem Nordpol und 18o° lang mit einem Südpol magnetisiert. Im Bereich dieser äußeren Umlaufbahn ist an der Statorplatine 18 ein Hall generator 53 befestigt, der in Fig. 2unten nochmals dargestellt ist. Dieser Hal I generator 53 wird folglich während der einen Hälfte der Umdrehung von einem Nordpol beeinflußt und schaltet dann die rechte Spule 2o ein, und während der anderen Hälfte der Rotorumdrehung wird er von einem Südpol beeinflußt und schaltet dann die linke Spule 19 ein. Beim Obergang von einem Nord-zu einem Südpol oder umgekehrt

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wird der Strom in der einen Spule reduziert und gl ei chzQO |M|0 I k * der in der anderen Spule erhöht, so daß im Betrieb stets in einer der beiden Spulen 19 oder 2o ein Strom fließt. Mit Vorteil wird diese Art der Kommutierung erreicht durch eine von dem Hai 1 generator 53 gesteuerte, an sich bekannte Differenzvers ta rke rs ch al tung.

Die Schaltung nach Fig. 2 ist wie folgt aufgebaut: Der Hallgenerator 53 steuert zwei pnp-Transistören 54 und 55 eines Differenzverstärkers, die ihrerseits als Treiber für npn- Endstufen-Transistoren 56 und 57 dienen, von denen

56 den Strom in der Wicklung 19 und 57 den Strom in der Wicklung 2o steuert. Der eine Stromanschluß des Hal I generators 53 ist über einen Widerstand 58 mit einer Plusleitung 59 verbunden, der andere über einen Widerstand 6o mit einer Minusleitung 61. Die . von 54 und 55 sind miteinander und über einen gemeinsamen Widerstand 64 mit 59 verbunden. Der Kollektor von 54 ist über einen Widerstand 65 mit 61 und direkt mit der Basis von 56 verbunden. Ebenso ist der Kollektor von 55 über einen Widerstand 66 mit 61 und direkt mit der Basis von

57 verbunden. Die Anschlüsse der Spulen 19 und 2o ergeben sich aus Fig. 2. Die beschrieben»Schaltung ist an sich bekannt, vgl. die DT-OS 24 19 432, Fig. 1, aber bei einem Motor anderer Arbeitsweise. Es wird _. darauf hingewiesen, daß bei

einem Motor kleiner Leistung die Verstärkerschaltung einstufig ausgeführt werden kann, d.h. die Transistoren 56 und 57 wurden dann entfallen und die Spulen 19 und 2o wurden an die Stelle der Widerstände 65 und 66 treten.

Der Motor nach den Figuren 1 und 2 arbeitet wie folgt:

In der in Fig. 2 dargestellten Lage ist der Transistor 56 stromleitend und der Transistor 57 ist gesperrt, da dem Hal I generator 53 ein Südpol, nämlich der Monopol 36, gegenüberliegt, und daher sein linker Ausgang negativer ist als sein rechter. Der Rotormagnet 5 dreht sich in Richtung des Pfeils 37, also im Uhrzeigersinn. Hierbei wird in der Spule 2o eine Spannung mit der negativen Amplitude u, (Fig.5) induziert, wobei der in Fig. 2 dargestellte Augenblick etwa dem Zeitpunkt t der Fig. 5 entspricht. In Fig. 5 sind die in den Spulen 19 und 2o

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induzierten Spannungen mit u,_g bzw. u_ bezeichnet. Die Entstehung dieser negativen Spannung mit der Amplitude u. kann man sich anschaulich erklären durch das Schneiden der von den beiden Monopolen 35 und 36 ausgehenden magnetischen Feldlinien mit den aktiven Spulenabschnitten 47 und 48, wodurch sich die in 47 und 48 induzierten Spannungen addieren. Da die Monopole 35 und 36 ebenso wie die Spule 2o je 12o° el. lang sind, wird diese Spannung während eines Drehwinkels von etwa 12o° el. induziert, wobei natürlich durch' den öbergangsbereich zwischen den Polen und die relativ große Breite der genannten Spulenabschnitte die Spannung entsprechend abgerundet wird.

Bei weiterer Drehung des Rotors 5 ergibt sich die in Fig. 3 dargestellte relative Lage von Rotor 5 und Spule 2o, welch letztere jetzt stromführend ist, da dem Hal I generator 53 jetzt ein Nordpol gegenüberliegt, während die Spule 19 jetzt stromlos ist. Die Polarität der in der Spule 2o induzierten Spannung hat sich jetzt umgekehrt. Diese Spannung hat aber jetzt eine mittlere Amplitude, deren Betrag |u₂j nur etwa halb so groß ist wie IuJL und zwar aus folgendem Grunde:

In dieser Lage schneiden zwar den Spulenabschnitt 48 die Feldlinien des Monopols 35 (eines Nordpols). Unter dem Spulenabschnitt 47 hingegen bewegt sich hier der Dipol 39, dessen beide entgegengesetzte Magnete 43 und 44 im Spulenabschnitt 47 zwei entgegengesetzte, gleich große Spannjngen induzieren, die sich gegenseitig aufheben. Für die Höhe der Amplitude u« sind also nur die vom Spulenabschnitt 48 geschnittenen Feldlinien des Monopols 35 maßgebend, das heißt, diese Amplitude ist nur halb so groß wie die von u,. - Die Stellung nach Fig. 3 entspricht etwa dem Zeitpunkt tj der Fig. 5.

Dreht sich der Rotor 5 noch weiter in die in Fig. 4 dargestellte Lage, so tauschen die Spulenabschnitte 47 und 48 ihre Rollen, wobei nach wie" vor der Strom in der Spule 2o fließt, da dem Hallgenerator 53 immer noch ein Nordpol, hier der Nordpol des Ringsegements 43, gegenüberliegt. Während sich jetzt der Spulenabschnitt 47 über dem Monopol 36 (Südpol) befindet und von dessen Feldlinien .geschnitten wird, dreht sich unter dem Spulenabschnitt 48 der Dipol 39 des Rotormagneten 5, so daß aus den

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erläuterten Gründen die Amplitude u_ nur von der im Spulenab= schnitt 47 induzierten Spannung bestimmt wird.- Die Lage nach Fig. 4 entspricht dem Zeitpunkt t₂ im Schaubild nach Fig. 5.

Bei Verwendung der in Fig. 2 mit durchgezogenen Linien darge= stellten Spulenform ergibt sich für die oberen Abschnitte der induzierten Spannung jeweils eine Form mit zwei Höckern 68 und einer dazwischenliegenden Einsattelung 69. Im folgenden wird noch beschrieben werden, wie diese Hocker 68 durch eine günstige Formgebung der Statorspulen vermieden werden können.

Der Drehwinkel des Rotors, während dessen in der Spule 20 eine Spannung mit der positiven Amplitude u_ induziert wird, beträgt somit angenähert 240° el., wobei auch hier in den Übergangs= zonen die Spannung aus den bereits angegebenen Gründen abge= rundet ist. Man kann dies auch mit der physikalischen Gesetz= mäßigkeit erklären, daß das Zeitintegral der in einer bestimmten Spule induzierten Spannung nach 360 el. gleich Null sein muß, wenn an diese Spule keine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.

Fig. 5 zeigt die Spannung u_2o in der Spule 2o mit gestrichelten Linien und die hierzu um 18o° phasenversetzte, in der Spule induzierte Spannung u.g mit durchgezogenen Linien. Wegen der Symmetrie der Anordnung haben die Spannungen dieselbe Form.

Ausdrücklich soll darauf hingewiesen werden, daß Fig. 5 die Spannungen u,« und u„ für den Fall zeigt, daß der Rotor 5 von außen angetrieben wird und der Motor nicht an eine Stromquelle angeschlossen ist. Im Betrieb an einer Stromquelle addieren sich zu den dargestellten Spannungen noch die Spannungsabfälle an der jeweils stromführenden Spule.

Fig. 5 zeigt auch, daß sich die positiven Abschnitte der Spannungen U₁₉ und u_2o überlappen. Damit ist die Voraussetzung dafür erfüllt, daß der Motor in jeder Drehstellung ein Drehmoment erzeugen kann, indem man durch diejenige Spule bzw. Spulengruppe (bei Fig. 1 und 2 hat jede Spulengruppe nur eine Spule!) einen Strom schickt, in welcher eine positive Spannung induziert wird, denn für das erzeugte Drehmoment gilt die Gleichung:

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m . a) = u_ind . i, (1)

hierbei sind u. , die momentan in einer Spule rotatorisch induzierte Spannung (gem. der vorstehenden Beschreibung), i der au-genblicklich durch diese Spule fließende Strom, m das am Rotor angreifende momentane Drehmoment und UJ die Winkelgeschwindigkeit des Rotors.

Um ein gleichförmiges Drehmoment zu erzielen, ist es notwendig, daß der Motorstrom zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Form von der Spule 19 zur Spule 20 und umgekehrt kommutiert wird, wobei der Strom in der einen Spulengruppe bei der Kommutierung zunimmt, wenn er in der anderen Spulengruppe abnimmt, um so in jeder Drehstellung des Rotors einen sicheren Anlauf zu gewährleisten. Diese Überlappung der Ströme im Kommutierungszeitpunkt läßt sich natürlich auf vielfältige Weise erreichen, zB. auch gemäß der Lehre der DT-OS 2 555 055, vgl. dort in Fig. 4B die Überlappung der Ströme. Anordnungen der Digitaltechnik (bistabile MV's und dgl.) erfüllen zwar die Forderung nach Anlaufsicherheit, ergeben aber ein weniger gleichförmiges Drehmoment und erfordern daher eine erhöhte mechanische Dämpfung (Schwungräder und dgl.)

Die Kommutierungszeitpunkte sind in Fig. 5 mit t~ , t., t,- bezeichnet. Sie entsprechen den Rotorstellungen, bei denen der Hallgenerator 53 vom Gebiet eines Südpols in das eines Nordpols gelangt oder umgekehrt. Der Hallgenerator 53 liegt auf der Symmetrielinie 65 zwischen den Spulen 19 und 20 und in einem radialen Abstand vom Mittelpunkt der Welle 1. Der Abstand 66 ist beim ersten Ausführungsbeispiel so gewählt, daß der Hallgenerator 53 nur von den Ringsegmenten 41 und 43 der beiden Dipole 38 und 39 beeinflußt wird, nicht aber von den Ringsegmenten 42 oder 44. Die Ringsegmente 41 und 43 brauchen nur so breit zu sein, daß sie den Hallgenerator 53 genügend stark aussteuern. Die Figuren 6a und 6b zeigen die beiden Hallspannungen u, und u_ an den beiden Ausgängen des Hallgenerators 53, und zwar unter dem Einfluß des

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sich drehenden Rotors 5 und in Abhängigkeit von dessen Drehwinkel alpha, und Fig. 6c zeigt die Ströme i.. „ und i_2Q in den Spulen 19 und 20. Dank der Verwendung eines DifferenzVerstärkers oder eines analogen Gerätes überlappen sich diese Ströme bei der Kommutierung d.h. zu jedem Zeitpunkt fließt in wenigstens einer der beiden Spulen ein Strom, und das elektromagnetisch erzeugte Drehmoment wird somit lückenfrei und im wesentlichen konstant, also frei von größeren Schwankungen. Bei Fig. 6 ist noch darauf hinzuweisen, daß - wegen größerer Streuflüsse der Magnetisierungsvorrichtung - die magnetische Flußdichte (Induktion) im Bereich der Ringsegmente 41 und 43 normalerweise etwas kleiner sein wird, wodurch die Hallspannung in diesen Bereichen etwas abnimmt (Stufe 67 in Fig. 6a), daß aber infolge der Auslegung des Verstärkers (Fig. 2, unten) hierdurch der Motorstrom nicht beeinflußt wird. Insgesamt haben die beiden Hallspannungen u_ft und u_ß über 180 el. jeweils einen trapezförmigen Verlauf, und dies gilt naturgemäß auch für die magnetische Flußdichte, deren Bild diese Eallspannung ist. Auch der Magnetisierungsverlauf über den Monopolen in Drehrichtung ist etwa trapezförmig.

Sollte es aus Raumgründen erforderlich sein, den Hallgenerator 53 radial weiter innen anzubringen, so sind die Polaritäten der Ringsegmente 41 und 42 sowie 43 und 44 zu vertauschen. Dies zeigt Fig. 7. Die Monopole sind hier ebenfalls mit 35 und 36 bezeichnet, die Dipole mit 38' und 39'. Beim Dipol 38' ist das äußere Ringsegment 70 ein Nordpol, das innere Ringsegment 71 ein Südpol. Analog ist beim Dipol 39' das äußere Ringsegment 72 ein Südpol und das innere Ringsegment 73 ein Nordpol. Der radiale Abstand 7 des Hallgenerators 53 von der Mitte der Welle 1 ist hier so gewählt, daß der Hallgenerator 53 unter der von den Ringsegmenten 71 und 73 definierten Umlaufbahn liegt.

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Statt eines Hallgenerators kann naturgemäß bei der vorliegenden Erfindung auch jeder andere Sensor, insbesondere galvanomagnetische Sensor, verwendet werden, z.B. Feldplatten, Magnetdioden, magnetfeldabhängige Widerstände etc. Ein Hallgenerator ist jedoch nach dem derzeitigen Stand der Erkenntnis besonders günstig, weil er·zwei symmetrische Ausgänge hat und es deshalb ermöglicht, die beiden Spulen 19 und 2o in symmetrischer Weise mit Strom zu versorgen. (Würde man den Motor längs der Symmetrieebene 65 zusammenfalten, so würde man die Spulen 19 und 2o aufeinander klappen. Diese Spulen sind also klappsymmetrisch).

Wie aus der vorstehenden Beschreibung klar hervorgeht, wechselt bei dem Motor nach den Figuren 1 bis 4 je nach der Drehstellung des Rotors 5 der Ort, an dem das Drehmoment erzeugt wird, denn es kann nur dort ein Drehmoment erzeugt werden, wo ein stromführender, magnetisch aktiver Spulenabschnitt über einem Monopol des Rotors 5 liegt. Zum Beispiel wird in Fig. 3 das Drehmoment am Spulenabschnitt 48 erzeugt, in Fig. 4 am Spulenabschnitt 47, und in Fig. 2 findet gerade ein Obergang vom Spulenabschnitt 5o zum Spulenabschnitt 49 statt. Dieser Wechsel des Orts der Momentenerzeugung erfordert eine sehr gute Lagerung des Rotors 5 mit sehr geringem Lagerspiel, da sonst Lagergeräusche auftreten können.

Bevorzugt wird deshalb eine mindestens 4polige Motoranordnung (wobei sich die Polzahl hier wie auch bei den anderen Bei= spielen auf die Zahl der vorhandenen Monopole bezieht). Die Figuren 8 und 9 zeigen eine solche Motoranordnung, welche wie die vorhergehenden einen ebenen Luftspalt hat. Hierbei wird erreicht, daß die Kräfte, welche der Stator auf den Rotor ausübt, zu jedem Zeitpunkt symmetrisch bezüglich der Rotorachse 1 sind, so daß rhytmisch wechselnde Lagerkräfte vermieden werden und die Anforderungen an die Lagerung reduziert werden können. Gleiche oder gleich wirkende Teile wie bei den vorhergehenden Figuren werden in den Figuren 8 und 9 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie dort und gewöhnlich nicht nochmals beschrieben. Der mechanische Motoraufbau ist derselbe, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Die verschiedenen Winkel sind in die Figuren 8 und 9 eingetragen. -15-

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Die in die Fig. 8 und 9 eingetragenen Winkel und sonstigen Angaben bilden dort - wie auch bei den übrigen Figuren der Zeichnung - einen integralen Bestandteil der schriftlichen Offenbarung und werden deshalb in der Beschreibung nicht wiederholt. - Wie Fig. 9 zeigt, ist der Statoraufbau hier ebenfalls symmetrisch zu einer Syrtmetrieebene 65, in der auch der Hallgenerator 53 liegt. Wie dargestellt, sind je zwei Spulen gleichsinnig in Reihe geschaltet. Zur Verdeut= lichung sind in Fig. 9 nur die Endstufentransistoren 56 und 57 der Schaltung nach Fig. 2 dargestellt, welche Schaltung beim Motor nach den Fig. 8 und 9 identisch verwendet werden kann. Die vier Spulen 75, 76, 77 und 78 haben jeweils gleiche Windungszahlen und sind auch hier etwa trapezförmig ausgebildet. Ihre magnetisch aktiven Spulenabschnitte haben ebenfalls einen Winkelabstand von ca. 120° el. voneinander und verlaufen auch hier wie darge= stellt radial. Ist der Transistor 56 leitend, so fließt ein Strom von der Plusleitung 59 durch die Spulen 77, 75 und den Transistor 56 zur Minusleitung 61. Ist hingegen der Tran= sistor 57 leitend, so fließt ein Strom von 59 durch 76, 78 und den Transistor 57 zur Minusleitung 61. Die Ströme in den Spulen werden auch hier durch den Hallgenerator 53 gesteuert, wobei ebenfalls nach jeweils 18o° el. eine Kommutierung erfolgt, d.h. bei einem 4-poligen Motor wird der Strom 4 Mal pro Umdrehung kommutiert.

Fig. 8 zeigt den Rotor 5¹ in der Draufsicht. Geht man von den Zeigerstellungen e.iner Uhr aus, so hat der Rotor 5' in der dargestellten Lage eine erste Monopolzone (Südpol) 8o von 12 Uhr bis 2 Uhr, daran anschließend von 2 Uhr bis 3 Uhr eine Dipolzone 81 (außen slid, innen nord), von 3 Uhr bis 4 Uhr eine Dipolzone 82 (außen nord, innen süd), von 4 Uhr bis 6 Uhr wieder eine Monopolzone 83 (Nordpol), daran anschließend von 6 Uhr bis 8 Uhr eine Monopolzone 84 (Südpol), daran anschließend von 8 bis 9 Uhr eine Dipolzone 85 (außen süd, innen nord), dann von 9 bis Io Uhr eine Dipolzone 86 (außen nord, innen süd), daran anschließend von Io bis 12 Uhr eine Monopolzone 87 (Nordpol). Die Winkel sind in Fig. 8 angegeben. Es gilt auch hier, daß in den Dipolzonen die vom Nord-und Südpol erzeugten Flüsse dem Betrage nach gleich groß sind.

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Da die elektrischen Winkel des Motors nach den Figuren 8 und 9 «it denen des Motors nach den Figuren 1 bis 4 Übereinstimmen, ergibt sich dieselbe Wirkungsweise, insbesondere dieselbe Form der im stromlosen Motor induzierten Spannung, die in Fig. 5 dargestellt ist. Die Spulengruppen 75, 77 und 76, 78 werden auch hier jeweils dann eingeschaltet, wenn die Spannung mit der niedrigeren Amplitude U₂ in ihnen induziert wird, und sie werden jeweils etwa 18o° el. lang eingeschaltet, also eine Vierteldrehung lang die Spulengruppe 75, 77, während der nächsten Vierteldrehung die Spulengruppe 76, 78 und so abwechselnd weiter. Wesentlich ist hierbei, daß jetzt die auf den Rotor 5' wirkenden Antriebskräfte immer an zwei radial gegenüberliegenden Stellen erzeugt werden, wobei diese Stellen natürlich in der bei den Figuren 1 bis 4 beschriebenen Weise wechseln. Bei dieser Anordnung werden aber rhytmisch wechselnde Lagerkräfte vermieden, und dies gilt ersichtlich generell für alle Motoren mit mehr als zwei Polen, bei denen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung angewendet werden.

Die Erfindung eignet sich in gleicher Weise auch für Motoren mit zylindrischem Luftspalt. Dies wird im Folgenden an einem 2-poligen Außenläufermotor und zwei 4-poligen Außenläufermotoren dargestellt und erläutert. Solche Motoren sind in ihrem mechanischen Aufbau so wohlbekannt, daß eine Beschreibung des konstruktiven Aufbaus entbehrlich erscheint. Dieser ist z.B. mit allen Feinheiten beschrieben in der US-PS 3 7o3 221 (US-115 = US6) der Anmelderin. Die Erfindung eignet sich natürlich in gleicher Weise auch für Motoren mit Innenrotoren? die nachfolgende Darstellung gilt daher sinngemäß in gleicher Weise für Inneniäufermotoren.

Der in den Figuren Io und 11 im Schnitt dargestellte 2-polige Außenläufermotor 9o hat einen Außenrotor 91 mit einem Trageteil 92 aus Weicheisen, in dem ein Ringmagnet 93 befestigt ist, z.B. ein aus flexiblem Kunststoffmaterial mit eingelagerten Magnetpartikeln hergestellter sogenannter Gummimagnet, der zweckmässig in das topfförmige Trageteil 92 eingeklebt wird. Die Magnetisierung dieses Ringmagneten 93 ist abgewickelt in Fig. 11 dargestellt. Von links nach rechts kommt zuerst eine

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Monopolzone 94 (Südpol), dann eine Dipolzone 95 (oben nord, unten slid), dann wieder eine Dipolzone 96 (oben süd, unten nord) und dann eine Monopolzone 97 (Nordpol). Die Winkel ergeben sich aus Fig. 11.

Der Hai 1 generator 53 liegt auch hier in der Symmetrieebene 65 des Stators loo, in dessen Mitte die Rotorwelle lol in üblicher Weise gelagert ist. Der Stator selbst hat einen feststehenden, geblechten, außen kreiszylindrischen Eisenkern Io2, welcher zusammen mit dem Rotormagneten 93 einen an allen Stellen gleich großen Luftspalt Io3 definiert, so daß Reluktanzmomente nicht auftreten, d.h. daß der Rotor 91 keine magnetische Vorzugsstellung hat. Die beiden Rotorspulen Io4 und Io5, die

auch in Fig. 11 mit strichpunktierten Linien in der Abwicklung dargestellt sind, liegen wieder klappsymmetrisch zur Symmetrieebene 65«(Bei schnellaufenden Motoren kann es zweckmäßig sein, den Hallgenerator 53 etwas entgegen der Drehrichtung aus der Symmetrieebene 65 zu versetzen). Auch hier schließen die magnetisch aktiven Spulenabschnitte beider Spulen jeweils einen Winkel von 12o° el. miteinander ein. Die Spulen Io4 und Io5 müssen bei dieser Art der nutenlosen Statorwicklung entweder auf den Statorkern Io2 aufgeklebt werden, oder sie werden auf einen nichtmagnetischen Spulenträger gewickelt, der seinerseits am Statorkern \-,l befestigt wird. Der Hallgenerator 53 befindet sich auch hier in der Umlaufbahn, in der eine Umsteuerung je-. weils nach 18o° el. stattfindet, also bei Fig. 11 in der unteren Umlaufbahn, in der bei einer Rotorumdrehung während 18o°e/. ein Südpol auf den Hallgenerator 53 wirkt und während der nächsten 18o° el. ein Nordpol. Auch hier geht z.B. der Südpol der Monopolzone 94 direkt über in den Südpol der Dipolzone 95; ebenso geht der Nordpol der Monopolzone 97 direkt über in den Nordpol der Dipolzone 96.

Die Drehrichtung ist in Fig. Io durch den Pfeil 37 angegeben.

In Fig. Io sind wieder die Endstufentransistoren 56 und 57 der Schaltung nach Fig. 2 dargestellt, welche vom Hallgenerator 53 gesteuert werden. Die Wirkungsweise ist dieselbe, wie

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Sie im Zusammenhang mit den vorhergehenden Figuren beschrieben wurde (Fig. 11 entspricht praktisch Fig. 2 mit dem Unterschied, daß bei Fig. 2 der in Fig. 11 geradlinige Magnet zu einem Ring gebogen ist und die Spulen konform zu Ringsegmenten umgeformt sind.).

Bei dem 2-poügen Motor nach Fig. Io und 11 treten aus den bereits erläuterten Gründen ebenfalls unsymmetrische Lagerkräfte auf. Deshalb werden auch hier Motoren mit 4 und mehr Polen bevorzugt, wie sie in zwei Ausflihrungsformen in den Figuren 12 bis 15 dargestellt sind. Gleiche oder gleichwirkende Tsile werden auch hier mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in den vorhergehenden Figuren.

Die Figuren 12 und 13 zeigen einen 4-poligen Motor nach der Erfindung mit zylindrischem Luftspalt Io3. Auf dem weichmagnetischen Statorkern Io2 sind 4 Spulen llo, 111, 112, 113 befestigt, deren magnetisch aktive Abschnitte, wie dargestellt, jeweils voneinander einen Abstand von 24o° el. haben. Diese 4 Spulen sind in Abwicklung auch in Fig. 13 über dem Rotormagneten 93 dargestellt, ebenso ihre Verbindung zu Spulengruppen durch Serienschaltung der Spule llo mit der Spule 112 und der Spule 111 mit der Spule 113. Ebenso sind dort die Anschlüsse der Transistoren 56 und 57 (gem. der in Fig. 2 dargestellten Schaltung) dargestellt. Die Lage des Hallgenerators 53 relativ zu den Spulen geht sowohl aus Fig. 12 wie aus Fig. 13 klar hervor, ebenso die Lage der Symmetrie-Ebene 65 des Stators. Der Rotor 93 hat hier 4 Monopole, die jeweils 12o° el. lang sind, und 4 Dipole, die jeweils 6o° el. lang sind und zwar in Fig. 13 von links nach; rechts einen Monopol 116 (Nordpol), einen Dipol 117 (oben süd, unten nord), einen Dipol 118 (oben nord, unten süd), einen Monopol 119 (Südpol), einen Monopol 12o (Nordpol), einen Dipol 121 (oben süd, unten nord), einen Dipol 122 (oben nord, unten süd), und schließlich einen Monopol 123. Wie man aus Fig. 13 klar erkennt, liegen alle magnetisch aktiven Spulenabschnitte der Spulengruppe mit den Spulen llo und 112 hier über Monopolen, d.h. in dieser Spulengruppe wird gerade die Spannung mit der großen Amplitude u, (Fig. 5) in-

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duziert. Der Transistor 56 wird deshalb durch den Hallgenerator 53 gesperrt, der, wie dargestellt, von der unteren Umlaufbahn des Rotormagneten 93 gesteuert wird.

In der anderen Spulengruppe mit den Spulen 111 und 113 dagegen wird nur die kleinere Spannung u« induziert, und der Transistor 57 ist deshalb vom Hallgenerator 53 leitend gesteuert. In diesem Augenblick wird also ein antreibendes Moment erzeugt vom linken aktiven Spulenabschnitt 125 der Spule 111 und vom linken aktiven Spulenabschnitt 126 der Spule 113. Wie man aus Fig. 12 ohne weiteres erkennt, liegen sich diese Spulenabschnitte 125 und 126 diametral gegenüber, d.h. auf den Rotor 91 wirkt ein zur Welle lol symmetrisches Antriebsmoment (dies gilt in völlig analoger Weise für die anderen Spulenabschnitte, wenn diese die Erzeugung des Antriebsmoments übernehmen).

Die vier Spulen Ho bis 113 nach Fig. 12 haben einen relativ großen Kupferwiderstand. Eine bevorzugte Spulenanordnung mit geringerem Kupferwiderstand zeigt Fig. 14, zu der die Abwicklung nach Fig. 15 gehört. Die magnetisch nicht aktiven Spulenabschnitte, also die Wickelköpfe, sind hier ersichtlich wesentlich kürzer und·kreuzen sich auch nicht, was besonders bei axial kurzen Motoren einen wesentlichen Vorteil darstellt. Andererseits sind die Spulen nach Fig. 14 schwieriger zu wikkeln und zu befestigen als diejenigen nach Fig. 12.

Die vier Spulen 13o, 131, 132 und 133 sind auch hier symmetrisch angeordnet und sie sind so gewickelt, daß ihre magnetisch aktiven Abschnitte wie dargestellt jeweils einen Abstand von 12o° el. haben. Fig. 15 zeigt diese vier Spulen in Abwicklung über dem Rotormagneten 93, welch letzterer völlig identisch ausgebildet ist wie derjenige nach den Figuren 12 und 13. Fig. 15 zeigt auch die Lage des Hallgenerators 53 relativ zu den Spulen, ferner die Verbindung der Spule 131 mit der Spule 133 zu einer ersten Spulengruppe, deren Strom vom Transistor 56 gesteuert wird und die Verbindung der Spule 132 mit der Spule 13o zu einer zweiten Spulengruppe, deren Strom vom Transistor 57 gesteuert wird.

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In der Spulengruppe 13ο, 132 wird gerade die volle Spannung U₂ (Fig. 5) induziert, d.h. der Transistor 56 ist zu diesem Zeitpunkt durch den Hall generator 53 gesperrt, während der Transistor 57 durch den Hallgenerator 53 leitend gesteuert ist. Das Antriebs'moment wird in diesem Augenblick erzeugt vom rechten aktiven Spulenabschnitt 135 der Spule 131 und 136 der Spule 133. Wie Fig. 14 klar zeigt, liegen sich diese Spulenabschnitte diametral gegenüber, d.h. das erzeugte Drehmoment ist symmetrisch zur Welle lol und belastet die Lager des Rotors 91 nicht einseitig. Der Hallgenerator 53 befindet sich auch hier im Bereich der unteren Umlaufbahn des Rotors 91, d.h. er wird nach jeweils 18o° el. umgesteuert. Die Schaltung ist dieselbe wie in Fig. 2, wobei die Anschlüsse des Hallgenerators an die Schaltung jeweils so getroffen werden müssen, wie das vorstehend angegeben wurde, damit immer nur ein Strom in derjenigen Spulengruppe fließt, in der gerade die (niedrigere) Spannung U₂ gem. Fig. 5 induziert wird.

Wie bereits erläutert, hat bei der Spulenform nach Fig. 2 (und auch nach den bisher beschriebenen Spulenformen aller anderen Ausführungsbeispiele) der in Fig. 5 dargestellte positive Teil der induzierten Spannung u jeweils Hocker 68 und eine Einsattelung 69.

Diese Höcker 68 bewirken nach der Gleichung (1) entsprechende Schwankungen des augenblicklichen Drehmoments m und sind daher bei manchen Anwendungen unerwünscht. Diese Hocker 68 lassen sich aber nur dann vermeiden, wenn die Spulen 19, 20 bzw. 75 bis 78 bzw. 104, 105 bzw. 110 bis 113 bzw. 130 bis nur vom Hauptfeld des Rotormagneten 5 bzw. 5¹ bzw. 93 durchsetzt werden, und nicht auch von dessen Streufeld.

Dieses Streufeld wird jedoch in der Praxis insbesondere von den außen liegenden Windungen der einzelnen genannten Spulen aufgefangen und bewirkt eine Verformung der indu= zierten Spannung durch die Hocker 68 der Fig. 5. Diese Verformung der induzierten Spannung bewirkt bei konstantem

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Motorstrom eine entsprechende Schwankung des erzeugten Drehmoments, was bei Antrieben, die ein sehr gleichmäßiges Drehmoment benötigen, wie z.B. bei Plattenspielern, störend sein kann.

Um dies zu vermeiden, verwendet man bevorzugt eine Spulen= form, die von der in den Fig. 2, 3, 4, 9, 11, 12 und 14 dargestellten idealisierten Form abweicht.

Die Abweichungen von dieser idealisierten Spulenform sind in Fig. 2 für die rechte Spule 20 mit strichpunktierten Linien 150 und 151 dargestellt. Die resultierende Spule hat wie dargestellt etwa Fünfeckform. Diese Form ist dadurch entstanden, daß im Bereich derjenigen Umlaufbahn des Rotors 5, die den Hallgenerator 53 steuert (hier der äußeren Umlaufbahn) die Spulenfläche verringert wurde. Hierzu schrägt man in der dargestellten Weise die Spulenecken 152, 153 ab, die über oder neben dieser Umlaufbahn liegen. (Dies gilt natürlich in völlig identischer Weise für die Spule 19 der Fig. 2, ist aber dort nicht dargestellt, um die Zeichnung übersichtlich zu halten.)

Durch diese Schrägung der Spulenecken 152, 153 wird die Fläche der Spulen etwas vermindert, wodurch die in ihnen induzierte Spannung zwar etwas kleiner und damit auch das vom Motor abgegebenen Drehmoment etwas verringert wird. Diese Verkleinerung tritt aber in vorteilhafter Weise überwiegend an den Stellen auf, an denen gemäß Fig. 5 die Hocker 68 liegen. Die obere Hüllkurve der induzierten Spannung erhält durch die Schrägung der Spulenecken 152, 153 also eine wesentlich kleinere Welligkeit, und das vom Motor erzeugte Drehmoment wird dementsprechend wesent= lieh gleichmäßiger. Durch geeig-nete Schrägung der Spulen= ecken kann die Restwelligkeit des Drehmoments bei konstantem Strom auf niedrige Werte reduziert werden, die noch unter denen üblicher viersträngiger, vierpulsiger kollektorloser Gleichstrommotoren im Sinne der eingangs erwähnten Literatur= stelle ars liegen.

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Da die Größe des Schrägungswinkels sowohl von der übrigen Form der Spulen als auch von der Größe des Streufelds des Rotormagneten abhängt, ist sie am besten durch Versuche zu ermitteln..

Zur weiteren Verdeutlichung des hier angewandten Prinzips ist in Fig. 7 bei 140 eine entsprechende Spulenform für den Fall dargestellt, daß die den Hallgenerator 53 steuernde Umlaufbahn des Rotors, d.h. die Segmente 71 und 73 der Dipolzonen 38* und 39', radial innen liegt. Die magnetisch aktiven Spulenabschnitte verlaufen hier auf einem wesentlichen Teil ihrer Erstreckung nicht mehr direkt radial nach außen, sondern unter einem Winkel 155 von z.B. 30° zu einem sie schneidenden Radiusvektor 156. Ein radialer Verlauf liegt hier nur noch über etwa 50 ... 60 % der Magnetbreite vor.

Fig. 9 zeigt eine in der Praxis erprobte Spulenform 141 für einen Rotormagneten 5', dessen den Hallgenerator 53 steuernde Umlaufbahn radial außen liegt, und dessen Außenrand bei 142 und dessen Innenrand bei 143 jeweils gestrichelt angedeutet ist. Das Spulenfenster 144 ent= spricht etwa der eingangs gegebenen bevorzugten Relation B_ : B„ Ai 0,9. Es hat die Form eines Fünfecks, das zur

S M

90 -Linie 145 symmetrisch ist und dessen Spitze 146 nach außen weist, also zu der den Hallgenerator steuernden Umlaufbahn hin. Die Außenform der Spule 141 nähert sich in der Praxis - durch die Wicklungstechnik bedingt der Kreisform. Mit dieser Spulenform (naturgemäß müssen bei Verwendung solcher Spulen alle vier Spulen des Motors der Fig. 9 dieselbe Form haben) erhält man eine ausgezeichnete Form der positiven induzierten Spannung in Fig. 5. Diese Spannungsform ist von Höckern 68 praktisch frei und ergibt daher sehr geringe Drehmomentschwankungen. Auch hier erkennt man im übrigen klar, daß im Verhältnis zur idealisierten Spule 76 die äußeren Spulenecken wesentlich abgeschrägt sind, während im radial inneren

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Bereich die Spulen 76 und 141 in ihrer Grundform im wesentlichen übereinstimmen.

Bei Motoren mit zylindrischem Luftspalt ergibt sich etwa eine Spulenform, wie sie in Fig. 11 bei 160 und 161 mit gestrichelten Linien angedeutet ist. Auch hier erhält man eine Fünfeckform, deren Spitze zur Hallgeneratorseite (Hallgenerator 53) hinweist. Die Schrägung erstreckt sich erfahrungsgemäß meii-.t nur bis in das erste Viertel der Magnetbreite, wie das Fig. 9 und 11 zeigen. Der Schrägungs= winkel ist natürlich auch eine Funktion der jeweiligen Polbreite, d.h. bei Motoren mit vielen Polen wird er größer sein als bei Motoren mit wenigen Polen. — Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 12 bis 15 müßten die Spulen zur Erzeugung eines besonders gleichmäßigen Drehmoments ebenfalls die in Fig. 11 mit den gestrichelten Linien 160 und 161 angedeutete Form haben, wobei ebenfalls die Spitze des Fünfecks in jedem Fall nach unten weist, da der Hdllgenerator 53 auch dort jeweils von der unteren Umlaufbahn des Rotors gesteuert wird. In den Fig. 13 und 15 ist dies nicht dargestellt, um die Zeichnungen nicht unübersichtlich zu machen. — Würde der Hallgenerator 53 von der oberen Umlaufbahn des Rotors gesteuert, so müßte die Spitze der Fünfecks nach oben weisen.

Ein erfindungsgemäßer Motor bietet auf Grund der speziellen Magnetisierung seines Rotors auch eine einfache und vor= teilhafte Möglichkeit, ihn als Tachogenerator, z.B. für eine Drehzahlregelung, zu benutzen.

Eine Drehzahlregelung arbeitet unabhängig von der Größe der Magnetflußdichte des Rotormagneten, wenn man statt der Amplitude die Frequenz der induzierten Spannung als Maß der aktuellen Drehzahl benutzt. Die dynamischen Eigen= schäften eines Reglers, der eine Frequenz als Maß der augenblicklichen Drehzahl benutzt, sind um so besser, je höher die benutzte Frequenz ist. Die in der Hauptwicklung eines kollektorlosen Gleichstrommotors im Betrieb vom

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Rotor induzierte Spannung hat leider meist eine relativ niedrige Frequenz. Sie beträgt auch bei einem erfindungsgemäßen Motor nur

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wobei die Drehzahl in U/min gemessen wird und ρ die Polpaarzahl der Monopole bedeutet. Diese Frequenz ist oft für eine einwandfreie Drehzahlregelung nicht ausreichend, insbesondere dann nicht, wenn die Drehzahl η klein ist, z.B. bei Plattenspieler-Direktantriebsmotoren, die nur mit 33 1/3 U/min laufen.

In weiterer vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist daher eine Zusatzwicklung vorgesehen, welche entweder nur in demjenigen Luftspaltbereich des Rotormagneten liegt, in dem die Segmente der Dipolbereiche die umgekehrte Polarität der benachbarten Monopole haben, oder nur in dem Luftspaltbereich, in dem die Segmente der Dipolbereiche mit den benachbarten Monopolen gleichnamig sind. Die Zusatzwicklung kann z.B. als Schleifenwicklung mit 3p Einzelspulen ausgebildet sein, wobei ρ die Polpaarzahl der Monopole bedeutet. Die Spulen haben jeweils eine Weite von 360 : 6p und jeweils den gleichen Abstand, d.h. zum Beispiel bei einem Motor mit vier Monopolen (p = 2) sechs Spulen, die je eine Weite von 30 mech und einen Abstand von 30° mech haben. Diese Ausführung ist in Fig. 16 dargestellt. Der dargestellte Rotor 5' entspricht demjenigen nach Fig. 8, so daß auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann, und die sechs Einzelspulen 165 haben jeweils eine Spulenweite von 30 mech und einen Abstand von 30 mech und liegen über der inneren Umlaufbahn des Rotors 5'. Sie sind in Serie geschaltet, und ihre nach außen geführten Anschlüsse sind mit 166 bezeichnet. An 166 kann z.B. ein Drehzahlregler angeschlossen werden. - Diese Form der Tachowicklung mit Einzelspulen eignet sich natürlich in gleicher Weise für Motoren mit zylindrischem Luftspalt.

Bei einem ebenen Luftspalt kann die Tachowicklung mit

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Vorteil auch als Wellenwicklung, z.B. in Form einer gedruckten Mäanderwicklung 167, ausgeführt werden, wie das Fig. 17 zeigt. Dabei haben die radialen Abschnitte der Mäanderwicklung jeweils einen Abstand von 360 ϊ 6p, also z.B. bei" dem dargestellten Motor mit einem Rotor mit vier Monopolen (p = 2) jeweils 30° mech.

Die Mäanderwicklung 167 wird zweckmäßig auf einer dünnen isolierenden Folie als gedruckte Schaltung ausge* bildet, also z.B. im Siebdruck aufgedruckt und dann geätzt, und sie hat dann einen inneren Anschluß 168 und einen äußeren Anschluß 169. Wegen der relativ kleinen Windungszahl einer gedruckten Schaltung ist es zweck= mäßig, das erzeugte Ausgangssignal zu verstärken, ehe es weiterverarbeitet wird. — Auch bei Fig. 17 ist die Mäanderwicklung 167 so ausgebildet, daß sie nur über der inneren Umlaufbahn des Rotors 5¹ liegt. Alternativ könnte sie auch so ausgebildet sein, daß sie nur über der äußeren Umlaufbahn des Rotors liegt.

Die Ausbildung als gedruckte Schaltung bietet den weiteren Vorteil, daß man mehrere Folien mit solchen Mäander= wicklungen 167 geschichtet übereinander anbringen kann, wobei man bei Verwendung von η Folien die einzelnen Wicklungen der verschiedenen Folien um 180 el : η gegeneinander versetzt (die Grade sind hier auf die Polteilung der Mäanderwicklung bezogen), also z.B. bei Verwendung von zwei Folien um 90° el, was bei Fig. 17 einem tatsächlichen Winkel von 15 mech entsprechen würde, um den die beiden Folien gegeneinander verdreht werden müßten. Man erhält dann von diesen beiden Folien zwei um 90 versetzte Ausgangsspannungen, und durch eine nachfolgende Vollweg-Gleichrichtung dieser beiden Spannungen kann man in einfachster Weise die Frequenz der Ausgangsspannung nochmals verdoppeln.

Die Wirkung einer solchen Tachowicklung ist folgende: Die Spulen 165 bzw. die häanderbögen 167 im Bereich der

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Monopole des Rotors 5' induzieren keine Spannung, solange der von den Monopolen durch sie hindurchtretende magnetische Fluß sich nicht ändert. Dies ist im allge= meinen in 2p Spulen bzw. Mäanderbögen der Fall, d.h. z.B. bei Fig. 16 bzw. 17 in vier Spulen bzw. Mäander= bögen. In den übrigen ρ Spulen wird jedoch eine Spannung induziert, z.B. wenn im obigen Beispiel zwei Spulen gerade von den Dipolsegmenten der Polarität Nord auf die Dipolsegmente der Polarität Süd wechseln. Ein solcher Wechsel erfolgt während einer Umdrehung nacheinander in allen 3p Spulen insgesamt 3p-mal je Umdrehung, d.h. bei einem Motor mit vier Monopolen zwölf Mal, während der magnetische Fluß in den Hauptwicklungen nur vier Mal je Umdrehung wechselt. Sowohl in der Mäanderwicklung 167 gem^äß Fig. 17 als auch in den 3p in Reihe geschalteten Einzelspulen 165 gemäß Fig. 16 wird folglich eine Spannung induziert, deren Amplitude zwar relativ klein ist, deren Frequenz aber drei Mal größer ist als die der in den Hauptwicklungen induzierten Spannung. Die in der Meß= wicklung 165 bzw. 167 induzierte Spannung bietet daher günstigere Voraussetzungen für eine Drehzahlregelung, welche die Frequenz der rotatorisch induzierten Spannung als Maß für die Drehzahl benutzt.

Maturgemäß ist. die Verwendung der Zusatzwicklung für die Drehzahlmessung unabhängig von der Art des verwendeten Sensors, ist aber besonders vorteilhaft bei Verwendung eines Hallgenerators als Sensor zu realisieren.

In Fällen, in denen nicht ein gleichförmiges Antriebs= moment gewünscht wird, sondern ein Moment mit einem etwa treppenförmigen Verlauf, läßt sich dies im Rahmen der Erfindung dadurch erreichen, daß die Magnetbereiche der Dipolzonen ungleich stark magnetisiert werden. Man kann dann ein Moment mit ausgeprägter Treppenform erzeugen, wie es z.B. für Geräte mit ungleichmäßigem Lastmoment erwünscht sein kann.

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Bei Speisung eines erfindungsgemäßen Motors mit einem Konstantstrom, Verwendung von Dipol-Magnetbereichen, deren Flüsse jeweils gleich groß sind, sowie von Spulen mit abgeschrägten Ecken auf der dem Hallgenerator zugewandten Seite (z.B. Spulenform 140 der Fig. 7 oder Spulenform 141 der Fig. 9) erhält man ein sehr gleichförmiges Antriebs= moment. Bei einem vierpoligen Flachmotor mit der Spulen= form 141 der Fig. 9 wurden z.B. nur Momentenschwankungen von - 10 % festgestellt, die im wesentlichen im Augenblick der Kommutierung der Spulenströme (Zeitpunkte t_g , t- der Fig. 6c) auftreten. Durch eine entsprechende Erhöhung der Spulenströme zu diesen Zeitpunkten kann das Drehmoment, das vom Motor abgegeben wird, noch gleichmäßiger gemacht werden, sofern das in Sonderfällen erforderlich ist. — Durch die große Gleichförmigkeit des abgegebenen Moments eignet sich der erfindungsgemäße Motor besonders für Antriebsaufgaben in der Phono- und Videotechnik.

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-JJK es ej

Claims

Patentansprüche

1.) Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor und einer zwei Wicklungsgruppen aufweisenden Statorwicklung, welche Wicklungsgruppen - gesteuert von mindestens einem die augenblickliche Lage des Rotors erfassenden Sensor - im Betrieb alternierend von einem impulsförmigen, unidirektionalen Strom durchflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (6; 91) im Bereich einer Polteilung jeweils in einem ersten Winkelbereich eine Monopol-Magnetisierungszone und daran anschließend in einem zweiten Winkelbereich eine Dipol-Magnetisierungszone aufweist, in welch letzterer senkrecht zur Drehrichtung (37) des Rotors nebeneinander zwei Bereiche (41, 42; 43, 44) entgegengesetzter Magnetisierung liegen, wobei in Drehrichtung 67) gesehen jeweils zwei Dipolzonen (38, 39) des Rotors nebeneinander liegen.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines von Lücken mindestens angenähert freien elektromagnetischen Antriebsmoments der Sensor (53) und die Steuerschaltung so ausgebildet und angeordnet sind, daß im Betrieb zu jedem Zeitpunkt immer mindestens eine der beiden Wicklungsgruppen (19, 20; 110-112, 111-113) stromdurchflossen ist.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Motor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkelbereich eine Größe von etwa 12o° el. und der zweite Winkelbereich eine Größe von etwa 60 el. hat.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle mit den jeweils danebenliegenden Monopolzonen (35) gleichnamigen Magnetbereiche (43) der Dipolzonen (39) in derselben Umlaufbahn liegen.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Monopolzone (35) in den neben ihr liegenden gleichnamigen Magnetbereich (43) der Dipolzone (39) ohne Magnetisierungslücke übergeht.

6. Motor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor zum Steuern der Ströme in den beiden Wicklungs= gruppen der Statorwicklung mindestens ein galvanomagne= cischer Sensor (53) vorgesehen ist, und daß dieser Sensor bzw. diese Sensoren am Stator im Bereich der= jenigen Umlaufbahn liegt bzw. liegen, in der sich die mit den danebenliegenden Monopolzonen gleichnamigen Magnetbereiche der Dipolzonen befinden.

7. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetbereiche (41, 42) einer Dipolzone (38) so ausgebildet sind, daß sie im benachbarten Luftspalt (29) einen dem Absolutwert nach etwa gleich großen magnetischen Fluß erzeugen.

8. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von einei" Monopolzone (35) und dem mit ihr gleichnamigen, direkt benachbarten Bereich (43) einer Dipolzone (39) gebildete Magnetstreifen des Rotors, gemessen in Längsrichtung dieses Streifens, eine etwa trapezförmige Magnetisierung (Fig. 6a, 6b) aufweist.

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9. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung für die Ströme in den beiden Wicklungsgruppen (19, 20; 110 - 112, 111 - 113) so ausgebildet ist, daß sie im Bereich einer etwa gleichbleibenden induzierten Spannung (Fig. 5: U₂) einer Wicklungsgruppe einen etwa konstanten Strom (Fig. 6c) zuführt.

10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Kommutierungssteuerung so ausgebildet ist, daß im Kommutierungsbereich (Fig. 5: t,, t., t_&) im Betrieb der Strom (i₁₉) der einen Wicklungsgruppe (19) abnimmt und gleichzeitig der Strom (i_2fO der anderen Wicklungsgruppe (20) zunimmt.

11. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Spulengruppe zwei um etwa 120° el. (oder 120° el. + η . 360° el.) gegeneinander versetzte, magnetisch aktive Spulenabschnitte in entgegengesetzter Richtung stromdurchflossen sind.

12. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch aktiven Spulenabschnitte (Fig. 2: 47, 48, 49, 50) bei einer Koinzidenz mit der Grenze zwischen zwei Magnetisierungszonen des Rotors jeweils auf mindestens einem Teil ihrer Längser= Streckung etwa parallel zu dieser Grenze verlaufen.

13. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Kommutierung der Motorströme ein Differenzverstärker vorgesehen ist (Fig. 2).

14. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Motors als Motor mit flachem Luftspalt (29) der Stator als eisenloser Stator (18, 19) ausgebildet ist.

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15. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Motors als Motor mit zylindrischem Luftspalt (103) (Innen- oder Außenläufermotor) der Stator als nuten= loser Stator (100) ausgebildet ist.

16. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vierpoligen Motor mit vier symmetrisch angeordneten Statorspulen (110 bis 113) die einzelnen Spulen eine Spulenweite von jeweils etwa 240° el. haben (Fig. 12, 13).

17. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vierpoligen Motor mit vier symmetrisch angeordneten Statorspulen (130, 133) die Spulenweite jeweils etwa 120° el. beträgt (Fig. 14, 15).

18. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der magnetisch aktiven Spulenabschnitte im Bereich von etwa 10 bis 60° el. liegt.

19. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorspulen (140; 141) jeweils durch Abschrägung der Kanten7dort flächenmäßig verkleinert sind, wo sie über derjenigen Umlaufbahn des Rotors (5; 5¹; 93) liegen, in der die Monopolzonen und die an sie anschließenden Abschnitte der Dipolzonen jeweils gleichnamig sind.

20. Motor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorspulen (141; 150, 151; 160, 161) jeweils etwa fünfeckförmig ausgebildet sind und eine Spitze (146) des Fünfecks in die Richtung weist, in der sich diejenige Umlaufbahn des Rotors (5; 5'; 93) befindet, in der die Monopolzonen und die an sie anschließenden Abschnitte der Dipolzonen jeweils gleichnamig sind.

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21. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftspalt (11, 11'; 103) eine Tachogeneratorwicklung (165; 167) vorgesehen ist, welche sich so weit erstreckt, daß sie nur den Fluß eines der beiden entgegengesetzten Magnetbereiche jeder Dipolzone erfaßt.

22. Motor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Tachowicklung in Reihe geschaltete, gleichmäßig verteilte Einzelwicklungen (165) aufweist.

23. Motor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Rotor mit 2p Monopolen mindestens 3p Einzelwicklungen (165) vorgesehen sind.

24. Motor nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenweite der Einzelwicklungen (165) etwa 60° : ρ beträgt.

25. Motor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Tachowicklung als Mäanderwicklung (167) ausge= bildet ist (Fig. 17).

26. Motor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit 2p Monopolen die radialen Abschnitte der flach ausgebildeten Mäanderwicklung (167) jeweils einen Abstand von 60° : ρ aufweisen.

27. Motor nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Mäanderwicklung vorgesehen ist, und daß diese Mäanderwicklungen zur Erzeugung eines mehrphasigen Tachogeneratorsystems gegeneinander versetzt sind.

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