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Vorrichtung zum Verhindern von Schwingungen an der Rotorwelle von
Servomotoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verhindern von
Schwingungen an der Rotorwelle von Servomotoren.
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Es ist bei Vorrichtungen dieser Art bekannt zwischen der umlaufenden
Welle und einer zusätzlichen drehbar gelagerten Schwungsmasse unstarre magnetische
Kupplungen anzuordnen. Die bekannte Dämpfungsvorrichtung arbeitet mit zwei unabhängig
voneinander drehbaren Teilen, einer Welle mit einem starr mit ihr verbundenen Kranz
von Elektromagneten und einem ringförnügen Schwungrad mit eingebautem Kurzschlußkäfig.
Durch die auf die Welle aufgesetzten Elektromagnete wird bei dieser Vorrichtung
das Trägheitsmoment vergrößert, woraus sich eine verminderte Ansprechempfindlichkeit
ergibt: die Spelsung der Elektromagnete kann nur über Schieifringe erfolgen, und
daher erfordert eine solche Anordnung einen verhältnismäßig großen Raumbedarf, belastet
außerdem die Welle gewichtsmäßig und führt daher zu einem Trägheitsmoment. Der Vorschlag
in der bekannten Vorrichtung, die Anordnung umzukehren, d. h. die Elektromagnete
und den Schwungring zu vertauschen, ergibt die gleichen Schwierigkeiten, da dann
das den Wirbel. stromweg, d. h. den Kurzschlußring, enthaltende Schwungrad
mit der Motorwelle verbunden werden müßte.
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Ferner sind Wirbelstrombrems- bzw. Drehzahlregelvorrichtungen bekannt,
bei denen nur ein Bauteil, d. h. entweder nur der Wirbelstromläufer oder
nur eine Magnetfeldanordnung, drehbar angeordnet ist. Hierbei handelt es sich nicht
um Vorrichtungen für Servomotoren, die eine unstarre Kupplung von zwei relativ zueinander
drehbaren Bauelementen aufweisen. Ferner ist ein aus einer Wirbelstrombremse bestehender
Drehzahlregler für Ferrarismotoren mit becherförmigem oder zylindrischeni Läufer
und auf verschiedenen Seiten des Läufers angeordneten, auf Eisenkernen sitzenden
Strom- und Spannungsspulen, insbesondere zum Antrieb von Sprechmaschinen,' bekannt.
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Der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Verhindern
von Schwingungen an der Rotorwelle von Servomotoren zu schaffen, die so ausgebildet
ist, daß sie eine bestimmte erwünschte Dämpfungscharakteristik hat, die umgekehrt
proportional zur Drehzahl verläuft, d. h. bei hohen Drehzahlen soll die Dämpfung
gering, bei niedrigen Drehzahlen hoch sein.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der
vorgekennzeichneten Art zu schaffen, bei welcher die Servomotoren verhältnismäßig
kleine Größenabmessungen, ein kleines Gewicht und einen gedrungenen Aufbau besitzen.
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Schließlich besteht ein Zweck der Erfindung darin, bei einer Vorrichtung
zum Verhindern von Schwingungen an der Rotorwelle von Servomotoren eine möglichst
große Ansprecherapfindlichkeit unter Vermeidung von unerwünschten Schwingungen
zu erreichen, um bei kleinstem Fehlersignal zuverlässig die entsprechenden
Korrekturvorgänge einleiten zu können.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung züm Verhindern von Schwingungen
an der Rotorwelle von Servomotoren durch unstarre magnetische Kupplung der Rotorwelle
mit einer frei drehbar gelagerten Schwungmasse, wobei die Kupplung durch Wirbelstromwirkung
zustande kommt. Gemäß der Erfindung ist auf die aus dem Motorgehäuse herausragende
Rotorwelle ein an sich bekannter, im wesentlichen nicht magnetisierbarer becherförmiger,
dünnwandiger Wirbelstromläufer aufgesetzt und eine von einem Dauermagnet und einem
starr mit ihm verbundenen magnetisierbaren Rückschluß gebildete Schwungniasse koaxial
und frei drehbar gegenüber dem Wirbelläufer angeordnet, wobei zwischen dem Dauermagnet
und dem Rückschluß ein enger zylindrischer
Luftspalt für den Wirbelstromräufer
vorgesehen ist.
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im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise
erläutert.
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Fig. 1 ist ein Blockschema eines schleifenfönnigen Servo-Verstellkreises
mit einem schematisch angedeuteten Motor mit den Merkmalen der Erfindung; Fig. 2
ist eine vertikale Längsschnittansicht einer Ausführungsfonn eines Servomotors mit
Dämpfung, gemäß der Erfindung; die Dämpfungsvorrichtung ist hierbei getrennt von
der Rotorwelle des Servomotors angeordnet; Fig. 3 ist eine ähnliche Darstellung
einer anderen Ausführungsforin eines solchen Motors, wobei die Dämpfungsvorrichtung
auf der Rotorwelle des Servomotors angeordnet ist.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, kann ein Servo-Schleifenkreis eine
Differentialvorrichtung 11 enthalten, die von außen her eine Kommando- oder
Signalkraft 12 empfangen kann; diese ist bei dem System der Einfachheit halber als
elektrisches Signal angedeutet; sie wird durch die Differentialvorrichtung
11 auf einen geeigneten Verstärker 13 übertragen, der die zur Betätigung
dienende Energie auf einen Servomotor 15
überträgt, um über ein geeignetes
Getriebe 17 eine Last 16 nach Maßgabe des Eingangssignals 12 zu betätigen.
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Durch eine Leitung 18 ist ein Signalkreis vom Motorausgang
zum Differential 11 bezeichnet. Hierdurch werden der Ausgangszustand und
die Stellung der Last 16 nach Maßgabe des Eingangssignals 12 nach dem Differential
11 hin gemeldet. Die Differenz zwischen dem Eingangssignal g 12 und dem Signal
an der Leitung 18 stellt die Differenz oder Deviation oder das Fehlersignal
dar, das in dem Differential 11
isoliert ist und durch den Verstärker
13 zur Steuerung des Betriebes des Servomotors 15 eingeführt wird.
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Um es dem Servomotor zu ermöglichen, der Besonderheit und Amplitude
des Signals 12 oder irgendwelchen Änderungen hiervon zu folgen, ist es zweckmäßig
und auch an sich bekannt, eine Dämpfungskraft auf die Motorbewegung einwirken zu
lassen, um Schwingungen zu begrenzen oder zu vermeiden, die andernfalls auf Grund
der Trägheit des Motorläufers und des damit verbundenen Getriebes 17 sowie
der Last 18 auftreten würden. Zur Erzielung einer solchen Dämpfungswirkung
ist gemäß der Erfindung der Motor 15 mit einer besonderen Dämpfungsvorrichtung
20 versehen, die, wie die schematische Darstellung zeigt, ein zylindrisches oder
topfförmiges Element 22 aufweist, das direkt mit der Motorwelle gekuppelt ist, und
ferner ein »fliegendes«, d. h. frei drehbares Rad 23 in Form eines
Permanentmagneten mit einem zylindrischen Halter 24, der an dem Magnet befestigt
ist, wobei beide Teile in geeigneter Weise frei drehbar auf Lagern 25 koaxial
zur Achse des Servomotors angeordnet sind, die durch eine strichpunktierte Linie
26 angedeutet ist.
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Die wesentliche Anordnung und Ausbildung des Servomotors
15 in Verbindung mit der Dämpfungsvorrichtung 20 als einheitliches Gebilde
ist im einzelnen in Fig. 2 und 3 gezeigt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die Dämpfungsvorrichtung
als unabhängige Anordnung ausgebildet, die getrennt von der Rotorwelle des Motors
gelagert sein kann.
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In Fig. 3 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Dämpfungsvorrichtung
sich auf der Rotorwelle selbst befindet.
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Wie Fig. 2 zeigt, umfaßt die Servomotoreinheit 40 ein Motorelement
41 und ein Dämpfungselement 42. Das Motorelement 41 besteht aus einem Ständerkein
43 mit einer Ständerwicklung 44 und einem Rotorelement 45, das mit zwei Lagerzapfen
46, 47 versehen ist, die in Kugellagern 48 und 49 ruhen. Die beiden Lager 48 und
49 wiederum werden in zwei Endwandungen 51 und 52 des Motorgehäuses
53
getragen. Die Lager werden durch Sprengringvorrichtungen 54 und
55 festgehalten. Die Ständerwicklungen 44 werden durch einen warm härtenden
Kunststoff 57, wie er beispielsweise im Handel unter der Bezeichnung »Araldite«
bekannt ist, festgehalten und gegenüber dem Gehäuse 53 isoliert.
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Der äußere Lagerzapfen 46 des Rotors an der Stirnseite des Motors
geht in einen Antriebswellenstumpf 60 über, und der innere Lagerzapfen 47
der Rotorwelle hat eine Verlängerung, den Wellenstumpf 61, der dazu dient,
einen zylindrischen Topf 62 zu tragen und anzutreiben, welcher als Dämpfungselement
für die Motorwelle bestimmt ist.
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Der Rotorwellenstumpf 61 und der Dämpfungs-oder Nachlauftopf
62 erstrecken sich über die innere Endwandung des Motorgehäuses 41 in den
Raum der Dämpfungsvorrichtung 42.
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Diese besteht allgemein aus einem äußeren Gehäuse 70 von zylindrischer
Form mit einem nach innen ragenden Flanschteil 71 von etwa V-föriniger Gestalt
mit einem fortlaufenden zylindrischen Verankerungsteil, der in das innere Ende des
Motorgehäuses 41 hineinragt und darin festsitzt. Nach diesem Zusammenbau ist das
Ende des Motorgehäuses bei 73 durch Hämmern bearbeitet, um einen Klammer-
und Verriegelungsflansch zum Festhalten des Gehäuses 70 der Dämpfungsvorrichtung
42 an dem Motorgehäuse 41 zu bilden.
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Das äußere Ende des Gehäuses 70 der Dämpfungsvorrichtung ist
durch eine Endplatte 75 abgeschlossen. Diese trägt einen gegebenenfalls mit
ihr einteiligen Zapfen 76, welcher als Unterstützung für zwei im Abstand
voneinander angeordnete Lager 77 und 78
dient. Diese zwei Lager dienen
zum Tragen eines fliegenden Radaufbaues 80, der auf dem Zapfen
76
frei drehbar ist. Der Zapfen 76 ist koaxial mit dem Wellenstumpf
61 des Motorrotors ausgerichtet und gewährleistet so die Drehbarkeit des
fliegenden Rades 80 und des Nachlauftopfes 62 um die gleiche gemeinsame
Hauptachse des Motors.
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Das fliegende Rad 80 bildet die Dämpfungsmagnetanordnung. Es umfaßt
einen Permanentmagnet 81 in Form eines dickwandigen Zylinders, der über einen
zylindrischen Träger 82 von niedriger Permeabilität geschoben ist und darauf
festsitzt, welcher auf den Lagern 77 und 78 ruht und sich mit ihnen
dreht. Der Magnetträger 82 besteht aus einem Stück mit der flanschartigen
Endwandung 83, die ihrerseits eine zylindrische Schale 84 von Topfform trägt,
welche eine hohe Permeabilität aufweist, um als Anker oder Halter für den Magnet
81 zu dienen. Der magnetisierbare Halter 84 ist an seinem äußeren Ende mit
einem radial nach innen gerichteten Flansch 85 versehen; das äußere Ende
liegt gegen den Flansch 83
des Magnetträgers 82 an. Die beiden Flanschelemente
83 und 85 sind durch Befestigungseinrichtungen, wie die Schrauben
86, dicht aneinander befestigt.
Der Magnet 81 ist
auf seinem Träger 82 zwischen der flanschartigen Endwandung 83 und
einem überhämmerten Flanschende 87 verankert.
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Der Magnet 81 mit seinem Träger 82 und s2inem Anker
oder Halter 84 bilden zusammen die Masse des fliegenden Rades, durch welches das
Dämpfungsmoment auf den Motorrotor übertragen wird. Der Magnet 81 und sein
Halter 84 befinden sich in einem radialen Abstand voneinander und werden demgemäß
durch einen zylindrischen Spalt 88 getrennt, der konzentrisch zur Hauptachse
der Motorwelle liegt. Die Abmessungen des Nachlauftopfes 62 sind so gewählt,
daß der zylindrische Körper des Nachlauftopfes 62
in den zylindrischen Magnetspalt
88 hineinragt und sich frei in diesem Spalt drehen kann, ohne die Bestandteile
des magnetischen, fliegenden Radaufbaues zu berühren.
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Der Nachlauftopf 62 ist mit einer Nabe 89 versehen,
die auf dem Wellenstumpf 61 des Rotors, beispielsweise mit einem Wellenstift
91 und einer Friktionsscheibenanordnung 92 am Ende des Wellenstumpfes
61 befestigt ist.
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Der Nachlauftopf 62 ist vorzugsweise aus Leichtmetall hergestellt,
das einen relativ niedrigen elektrischen Widerstand hat und nicht magnetisierbar
ist. Die Relativbewegung zwischen dem Nachlauftopf 62
und dem Magnet
81 erzeugt Wirbelströme in dem Topf, und die Reaktion zwischen dem durch
solche Wirbelströme hervorgerufenen Magnetfeld und dem Magnetfeld in dem Luftspalt
des Magnets wirkt sich dahin aus, daß ein dämpfendes Moment auf den Nachlauftopf
und die Rotorwelle übertragen wird.
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Die koaxiale Ausrichtung des Motors und des Nachlauftopfes mit der
Magnetanordnung nach Art eines fliegenden Rades ermöglicht es, die gesamte Anordnung
in einer gedrängten Bauweise auszuführen, die einen minimalen Raumbedarf und ein
minimales Gewicht in Anspruch nimmt, um die erforderliche Dämpfungswirkung hervorzubringen.
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Es sind noch weitere bauliche Merkmale in Betracht zu ziehen, um insbesondere
eine möglichst hohe Festigkeit zu erhalten.
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Die Gehäuseschale 70 der Dämpfungsvorrichtung besitzt außer
dem V-förmig gestalteten Abschnitt 71
und der Verlängerung 72 eine
radiale Flanschwandung 93, die von der Grundfläche des V-förinigen Abschnitts
nach innen ragt, um sich mit einem Lagerhaltering 94 zu vereinigen. Die Gehäuseschale
71 bildet mit ihrer Verlängerung 72, der radialen Wandung
93 und dem Lagerhaltering 94 einen einteiligen Körper. Die radiale Wandung
93 ist mit verschiedenen öffnungen 95 versehen, welche als Durchführungsräume
für die Leiter 96 zwischen den Motorklemmen und den Ständerwicklungen 44
sowie zur Schaffung von öffnungen für den selbsthärtenden Kunststoff 57 dienen,
der dazu gebraucht wird, die verschiedenen Elemente der Anordnung fest verbunden
zusammenzuhalten.
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Wenn die Schale 70 der Dämpfungsvorrichtung an das Motorgehäuse
53 angebaut werden soll, werden die Endflächen der Schalen- oder Gehäuseverlängerung
72 und des Lagerhalteringes 94 in das Motorgehäuse 53 gegen eine Schulter
90 zur Aufnahme der Verlängerung 72 des Dämpfergehäuses
70 eingedrückt. Die Endfläche des Lagerhalteringes 94 liegt gleichzeitig
gegen den Stapel der Bleche des Ständerkerns 43 an, so daß die beiden schalenförmigen
Gehäuse, nämlich das Motorgehäuse 53 und das Dämpfergehäuse 70, relativ
starr aneinander befestigt sind, während die innere Endkante 73 des Motorgehäuses
umgehämmert ist, so daß sie in Eingriff mit dem V-förmigen Teil 71 des Dämpfergehäuses
70
kommt.
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Um eine passende Unterlag ge für die Abschlußplatte 75 zu schaffen,
die den Hilfszapfen 76 trägt, wird eine zylindrische Hülse 97 in koaxialer
Lage und in radialem Abstand von der Schale 70 des Dämpfergehäuses und in
diesem gehalten. Die Hülse 97 ist mit einem einwärts gerichteten Flanschteil
98 neben dem inneren Ende 93 der Gehäuseschale 70 versehen.
Das äußere Ende der Hülse 97
ist mit einer ringförinigen oder flanschartigen
Verdickung 99 versehen, die auf einer Schulter 100 am äußeren Ende
der Gehäuseschale 70 der Dämpfungsvorrichtung sitzt und in ihrer Lage durch
einen umgehämmerten Teil 101 am Ende der Gehäuseschale 70 gehalten
wird.
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Während des Zusammenbaues werden das Motorgehäuse mit seinem in der
endgültigen Stellung befindlichen Ständer und die Schale 70 der Dämpfungsvorrichtung
aneinander befestigt, wobei die innere Hülse 97 in ihre Lage in dem Gehäuse
70 der Dämpfungsvorrichtung gepreßt wird. Die offenen Räume rund um den Ständerkern
und die -wicklungen sowie die damit in Verbindung stehenden Räume zwischen dem Motorständer
und dem Gehäuse 70 der Dämpfungsvorrichtung sowie dem inneren Ring
97 werden dann mit einem thermoplastischen Material ausgefüllt, das dann
erhärten gelassen wird und das Motorgehäuse sowie das Gehäuse der Dämpfungsvorrichtung
starr wie ein einteiliges Stück zusammenhält. Die Hülse 97 ist in gleicher
Weise fest an dem Gehäuse der Dämpfungsvorrichtung befestigt.
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Die Innenflächen des Motorständers werden dann koaxial durchbohrt,
um Lagerringflächen für die Lager48 und 49 zu schaffen. Diese Bohrung vom gleichen
Durchmesser dient zur Schaffung eines kurzen, symmetrischen, zylindrischen Luftspalts
zwischen Rotor und Ständer. Der Rotor45 wird dann in einem Arbeitsgang in seine
Endlage gebracht, durch den gleichzeitig die Lager48 und 49 in ihre Endlage gebracht
werden. Darauf werden die Sprengringe g 54 und 55 in ihre Rillen eingesetzt, die
vorher vorbereitet worden sind, und der Rotor ist hiernach in der Lage, den Nachlauftopf
62 auf der Wellenstumpfverlängerung 61 aufzunehmen.
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Hiernach wird der Magnetaufbau auf den Tragzapfen 76 montiert,
und die Endplatte 75 wird dann mit der Magnetanordnung axial in ihre Lage
geschoben, um die Magnetanordnung in ihre Arbeitslage zu bringen. Sodann wird die
Endplatte 75 auf dem Endring 99 der Hülse 97 verankert, der
dazu dient, die Unterlage für die Platte 75 und den Zapfen 76 zu bilden.
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Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform gewührleistet eine maximale
Dämpfungswirkung zwischen dem Nachlauftopf und dem Magneten. Wenn der Servomotor
an eine Belastung angelegt wird und eine geringe Nachlaufwirkung erforderlich ist,
können die Größe des Nachlauftopfes in axialer Richtung oder die axiale Abmessung
des Magnets oder beide Abmessungen verkleinert werden, um die Dämpfungswirkung herabzusetzen.
Hierzu kann die Magnettragplatte durch eine ähnliche Platte mit einem kleineren
Magnet ersetzt werden, oder es kann
der Nachlauftopf selbst durch
einen von kleineren Abmessungen ersetzt werden.
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Die zweite in Fig. 3 beispielsweise dargestellte Ausführungsform
ist ähnlich derjenigen gemäß Fig. 2, abgesehen davon, daß die Dämpfungsvorrichtung
mit dem davon getragenen Magnetaufbau direkt auf der Läuferwelle des Motors montiert
ist. Die Teile des Motors selbst sind die gleichen wie bei Fig. 2. Bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 3 ist jedoch der Motorrotor auf einer längeren Welle montiert,
welche eine größere Verlängerung201 nach hinten hat, um den Magnet und den Nachlauftopf
tragen zu können.
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Die beiden Lager202 und 203 werden auf der Wellenverlängerung201
getragen, um eine frei drehbare Unterlage für den Magnetaufbau 204 zu schaffen.
Dieser Magnetaufbau besteht aus denselben Bestandteilen wie der Magnet
81 gemäß Fig. 2. Der Magnet 204 hat ebenfalls einen zylindrischen Luftspalt
205,
um den Nachlauftopf 206 aufzunehmen, der ähnlich dem Nachlauftopf
62 gemäß Fig. 2 ausgebildet ist.
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Die Lager 202 und 203 sind im Gleitsitz auf die Wellenverlängerung
201 aufgebracht und werden dann durch Sprengringe 207 und 209 in ihre
Lage auf der Wellenverlängerung gehalten. Der Magnetträger 21-1 wird in einer festgelegten
Stellung auf den beiden Lagern 202 und 203 durch zwei Sprengringe
213 und 214 gehalten, welche eine axiale Bewegung des Magnets auf diesen
beiden Lagern verhindern.
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Der Nachlauftopf 206 wird an seiner mit ihm aus einem Stück
bestehenden Nabe 216 getragen, die auf der Wellenverlängerung 201 durch einen
Sprengring 217 und durch eine Gegenmutteranordnung 218 festgehalten
wird, die über das mit Gewinde versehene äußere Ende 219 der Wellenverlängerung
201 aufgebracht ist. Eine zylindrische Gehäuseschale 225
umgibt den Dämpfungsmagnet
204 und den Nachlauftopf 206 und wird durch geeignete Schrauben
227
wiederum an einer Endplatte 226 gehalten.
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Die Endplatte 226 ist auf das Ende des Motorgehäuses
229 aufgepreßt; sie liegt gegen eine Schulter oder einen Sitz 230
und wird in ihrer Lage durch eine benachbarte Kante des Gehäuses 229, die
um eine abgeschrägte Ecke 231 der Platte 226 herumgehämmert ist, festgehalten.
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Die Platte 226 weist einen nach innen gerichteten zylindrischen
Nabenteil 233 auf, der nach einer geeigneten Bearbeitung dazu dient, eines
der Hauptlager 235 für die Rotorwelle zu tragen. Während des Arbeitsganges
der Vorbereitung des Motorständers, nachdem die Ständerwicklungen auf den lamellierten
Kein 237 aufgebracht sind, werden alle Zwischenräume und Löcher in dem Ständer
mit einem warm härtenden Kunststoffmaterial 240 ausgefüllt, das zugleich als festes
Bindemittel dazu mitwirkt, die Endplatte 226 als Teil des Motoraufbaues starr
in ihrer Lage zu halten.
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Wenn die Endplatte 226 auf diese Weise verankert ist, stellt
sie eine passende Unterlage für das innere Motorlager 235 und die Dämpfungsvorrichtung
dar, die auf der Wellenverlängerung 201 gehalten wird. Das äußere, Ende des Gehäuses
225 der Dämpfungsvorrichtung ist offen, um einen Zugang zu der Kammer zu
bilden, in welcher die magnetische Einrichtung anzuordnen ist. Nach der Zusammensetzung
des inneren Aufbaues wird eine Verschlußkappe 245 auf das Gehäuse 225 aufgesetzt
und anschließend umgebördelt oder festgesteckt, wie z. B. an der Stelle 246, um
ein zufälliges Abfallen oder eine Verschiebung der Kappe, 245 zu verhüten.
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Die Klemmen der Motorständerwicklungen werden von der Motorendplatte
226 getragen und bestehen beispielsweise aus Leiterdurchführungsklemmen 249;
die Klemmen können aus einem von einem Isolator 250 getragenen metallenen
Leiter bestehen, der in der Metallplatte 226 verankert ist. Von diesen Klemmen
249 aus erstrecken sich Leiter 251 durch den Raum in der Gehäuseschale
225 der Dämpfungsvorrichtung und durch die Kappe 245 nach außen, wo sie dann
zum Anschluß an einen äußeren Stromkreis verfügbar sind.
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In der Gehäuseschale 235 werden diese Leiter gegen Verschieben
durch einen Klemmzylinder 247 festgehalten, dessen äußere Umfangsfläche satt gegen
die innere Wandung der Gehäuseschale 225 anliegt; um die Leiter aufzunehmen,
ist der Klemmzyhnder 247 auf seinem Umfang mit einer Längsrille versehen, um einen
kleinen, in Längsrichtung verlaufenden, gekröpften Abschnitt 248 zum Festhalten
der Leiter 251
zu bilden.