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Bürstenloser Gleichstrommotor Die Erfindung bezieht sich auf einen
bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem magnetischen Rotor, mit einen eine Antrie.bsspulenanordI'ung
aufweisonclen Stator und mit wenigstets einem, den Strom durch die Antriebsspulenanordnung
steuernden magnetischen Abtastelement, das in Anhängigkeit eines magnetischen Feldes
seine elektrische Charakteristik ändert und in einem von dem Rotormagnetfeld überstrichenen
Bereich ortsfest angeordnet ist, Wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 der
Zeichnung noch näher zu erläutern sein wird, sind Motoren der vorbeschriebenen Art
bekannt, wobei jedoch die Rotoren eine Magnetisierung in der Richtung ihres Durchmessers
aufweisen und daher das oder die magnetischen Abtastelemente außerhalb des äußeren
Umfanges des Rotors vorgesehen sind. Um einen genügend großen magnetischen Fluß
durch die Abtastelemente sicherzustellen, muß ein besonderer magnetischer Leitweg
vorgesehen werden. Darüberhinaus erfolgt die Aus steuerung der Abtastelemente mit
geringer Steigung, wodurch eine entsprechend minderwertige Drehmomenten-Charakteristik
gegeben ist. Schließlich steht die erforderliche Statorspulenanordnung einer möglichst
nahen Zuordnung zwischen Stator und Abtastelement entgegen, worunter die Empfindlichkeit
der
Abtastung leidet.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Motor der eingangs genannten
Art zur Verfügung gestellt werden, der bei verbesserter Drehmomenten-Charakteristik
weniger aufwendig herstellbar ist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß dio Magnete sierungsrichtung
des Rotors parallel zu dessen Drehachse verläuft und die Antriebsspulenanordnung
etwa in einer Ebene senkrecht zu der Rotordrehachse angeordnet ist.
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Durch diese Gestaltung des erfindungsgemäßen Motors wird es möglich,
die Spulenanordnung dicht beabstanclet voll den Rotormagneten anzuordnen und darüberhinaus
auch das oder dje Abtastelemente nae an den Rotormagneten anzuordnen, so daß die
Voraussetzung für eine starke Durchflutung der Abtastelemente und damit deren entsprechend
starke Aussteuerung ermöglicht ist. Es ist grundsätlich denkbar, die Statorspulenanordnung
an der einen Seite des Rotors und das oder die Abtastelemente an denen anderer Seite
anzuordnen; bevorzugt befinden sich jedoch das oder die Abtastelemente in gleicher
Ebene wie die Spulenanordnung, die in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der
Erfindung an einer Stator platte gehalten ist, die vorzugsweise auch das oder die
Abtastelemente aufnimmt. Eine besonders raumsparende und für die jeweiligen Bauelemente
schützende Unterbringung ergibt sich dann, wenn die Antriebsspulenanordnung und/oder
das bzw. die Abtastelemente in entsprechenden Ausnehmungen der Statorplatte angeordnet
sind. Dabei kann es sich um Durchbrechungen der Platte als auch um Aushöhlungen
handeln.
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In besonders bevorzugter Ausführung der Erfindung weist der Rotor
zwei mit Permanentmagneten versehene, scheibenförmige Teile auf, die koaxial auf
der Drehwelle angeordnet sind
und zwischen denen ein axialer Spalt
freigelassen ist, in welchen die Antriebsspulenanordnung und das bzw. die Abtastelemente
eingelagert sind. Ohne daß es einer besonderen magnetischen Rückführung bedarf,
erhält man damit ein außerordentlich homogenes magnetisches Feld in dem Spalt zwischen
den beiden scheibenförmigen Teilen des Rotors, das sowohl die Antriebsspulenanordnung
als. auch das bzw. die Abtastelemente durchsetst. Eine dichte in Umfangsrichtung
mi.t ungleichnamigen Polen aufeinanderfolgende Anordnung der Permanentmagnete macht
eine bei Drehung des Rotors entsprechend schnelle Änderung der magnetischen Feidzustandes
an einem bestimmtet Ort innerhalb des Luftspaltes möglich, wodurch man eine entsprechend
steile Aussteuerung der magnetischen Abtastelemente erhäht, was sich in einer entsprelchend
schnellen Umsteuerung der Antriebsspulen 1 äußert. Die.s führt dazu, daß der erfindungsgemäße
Motor einen besonders guten gleichmäßigen Lauf und insgesamt eine hervorragende
Drehmomenten-Charakteristik aufweist.
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Als Abtastelemente kommen in erster Linie schnell reagierende, kleine
Elemente, wie Hall-Elemente und/oder Reluktanzelemente in Frage. Die Anordnung dieser
Elemente zusammen mit der oder den Spulen der Spulenanordnung an bzw. in der Statorplatte
hat den Vorteil, daß in einfacher Weise der jeweils günstigste Winkelabstand genau
festgelegt werden kann.
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Dabei wird vorzugsweise der Mittelpunktswinkel der Antriebsspulen
der Antriebsanordnung so gewählt, daß er der Division des Umfangswinkels 2# durch
die Zahl der Rotormagnetpole entspricht. Weitcrhin bevorzugt wird der Winkelabstand
zwischen von ein und demselben Abtastelement gesteuerten Antriebsspulen etwa gleich
d« gan:zahliqen Vielfachen der Division des Umfangswinkels 2# durch die Zahl der
Rotorpole gwählt.
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Schließlich wird in weiterhin bevorzugter Weise der Winkel abstand
zwischen dem oder den Abstastelementen und dem von
diesen gesteuerten,
jeweils zugehörigen Antriebsspulen gleich der Addition aus dem ganzzahligen Vielfachen
der Division des Umfangswinkels 2t durch die Zahl der Rotormagnetpole und der Division
des halben Umfangs winkels r durch die Zahl der Rotormagnetpole gewählt.
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Man erhält insgesamt einen Motor besonders flacher Bauweise, der einen
hohen Wirkungsgrad aufweist, durch ein homogenes Magnetfeld im Bereich der Antriebs
spulen und Abtastelemente eine schnelle Umschaltung der Spulenströme und damit eine
besonders gute Drehmomenten-Charakteristik besitzt. Dazu kommt die vorteilhafte
Möglichkeit, einen wirksamen Spulenzweig pro Umdrehung des Motors mehr als einmal
auszusteuetn.
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Weiterhin könn4ei gleichbleibender Anzahl der Antriebsspulen und/oder
der magnetischen Abtastelemente Rotoren verschiedener Magnetpolzahl eingesetzt werden.
Durch die abgestimmte Bemessun der öffnungsweite der Antriebs spulen auf die Breite
des Magnetflusses in eine Richtung, also den Umfangswinkelbereich eines Permanentmagneten,
erreicht man in anbetracht der Vielzahl möglicher Rotormagnetpole eine erhöhte Leistungsfähigkeit,
wobei der Motor nur außerordentlich geringe Eisenverluste aufweist. Dabei ist die
Winkelbeabstandung zwischen den Antriebsspulen und zwischen einem Abtastelement
und einer von diesem gesteuerten Antriebsspule in vorteilhafter Weise in bestimmten
Stufen frei zu wählen.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Beispiele
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch ein schematisch dargestelltes
Beispiel eines mit Hilfe von Hall-Elementen gesteuerten Gleichstrommotors nach dem
Stand der Technik; Fig. 2 ein Diagramm, das die Aussteuerung der Antriebsspulen
des Bcisl?iels gemäß Fig. 1 wiedergibt; Fig. 3 eine arlseinandergezogene Darstellung
von wesentlichen Einzelteilen eines ersten Ausführungsbeispieles des
erfindungsgemäßen
Motors; Fig. 4 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 in zusammengesetztem
Zustand; Fig.5 eine Schaltungsanordnung zur Steuerung des Ausführungsbeispieles
nach Fig. 3 und 4; Fig.6 ein Diagramm, das die Aussteuerung der Antriebsspulen mit
Hilfe der Schaltungsanordnung gemäß Fig, 5 wiedergibt; Fig.7 ein weiteres Ausführungsbeispiel
gemäß der- Erfindung in auseinandergezogener, schematischer Darstellung; Fig.8 ein
drittes-Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung in auseinandergezogener Schemadarstellung;
Fig.9 ein weiteres Ausführungsbeispiel in auseinandergezogeS ner schematischer Darstellung;
Fig. 10 eine Seitenansicht des Beispiels gemäß Fig.. 9; Fig.ll eine Schaltungsanordnung
zum Betrieb des Ausführungsbeispieles nach den Figuren 9 und 10; Fig.12 ein weiteres
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Motors in auseinandergezogener Darstellung
der wichtigsten Bauteile; Fig.13 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels gemäß
Fig. 12; Fig.14 ein Diagramm, das die zeitliche Aussteuerung der Antriebsspulen
des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 12 erkennen läßt; Fig.15 eine Schaltungsanordnung
zum Betrieb des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 12; Fig.16 ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung in auseinandergezogener Darstellung; Fig.17 ein letztes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Motors; Fig.18 eine Schaltungsanordnung für den Betrieb des
Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 17; Figuren 19 und 20 Beispiele für die Anordnung
eines Hall-Elementes an eine Statorplatte.
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Fig. 1 zeigt den Aufbau eines bekannten bürstenlosen Gleichstrommotors
mit magnetischen Abtastelementen. Der Rotor 1 ist in Richtung des Durchmessers magnetisiert.
Die Abtastelemente 3 und 4 sind radial um den Rotor herum angeordnet, was einen
ringförmigen Mantel 2 erfordert, um sicherzustellen, daß das Magnetfeld des Rotors
die Abtastelemente 3 und 4 entsprechend durchsetzt. Der ringförmige Mantel 2 dient
nicht nur als magnetischer Leitweg für den Magnetfluß des Rotors 1, sondern er bildet
auch eine Halterung für die Hall-Elemente 3 und 4. Zu diesem Zwecke und für eine
kompaktere Bauweise bzw. einen höheren Wirkungsgrad sind die Hall-Elemente 3 und
4 in nutenförmige Ausnehmungen 5 und 6 des Mantels 2 eingelagert bzw. eingeklebt.
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Der ringförmige Mantel führt dazu, daß der bekniinte Motor verhältnismäßig
kolapliziert ausgebaut, groß und teuer ist.
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Die Nuten 5 und 6 verringern zwar die Größe des Motors, sie verteuern
aber die Herstellung. Darüberhinaus müssen ctie in die Nuten 5 und 6 eingebrachten
Abtastelemellte nach ihrer Einbringung von der Innenseite des hohlzylinderförmigen
Man tels her elektrisch ancjeschlossen werden. Die achsparallel zu der Drehachse
des Motors gelegenen Spulen 7, 8, 9 und 10 bedingen eine relativ große axiale Länge
des Motors, was hinsichtlich des insgesamt benötigten Raumbedarfes nachteilig ist.
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Die erforderliche Anordnung der Spulen zwischen dem Rotor 1 und dem
Mantel 2 führt zu einem entsprechend großen Abstand zwischen dem Rotor 1 und den
Abtastelementen 3 und 4.
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Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Hall-Spannung Voll, die während
eines Zyklus T auftritt. Der in Durchmesserrichtung magnetisierte Rotor 1 wird gegenüber
den Hall-Elementen 3, 4 gedreht, die gegenseitig um einen Winkel von§r/2 verschoben
angeordnet wird. Diese Anordnung und Beabstandung von den Magnetpolen bedingen eine
nur allmähliche Zunahme und Abnahrne der Hall-Spannung, die an den entsprechenden
Polen der Hall-
Elemente 3, 4 auftritt. Entsprechend wenig steil
verläuft die Kurve des Stromes, der - mit Hilfe der Hall-Elemente 3, 4 gesteuert
- durch die Antriebsspulen fließt. Das Ergebnis ist eine entsprechend unbefriedigende
Drehmoment-Charakteristik.
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Zu der Darstellung des bekannten Motors muß man sich noch eine Montageplatte
für eine Steuereinrichtung denken, die zwischen die Abtastelemente und die Antriebswicklungen
eingeschaltet ist. Der bekannte Motor besteht demnach aus einer Vielzahl von Teilen,
deren Zusammenbau sich aufgrund der Formgebung und des konstruktiven Ineinandergreifens
schwierig und aufwendig gestaltet.
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Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, worin
die vorgenannten Nachteile ausgeschaltet sind.
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Fig. 4 ist eine Seitenansicht der zusammengesetzten Einzelteile gemäß
Fig. 3.
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Die Permanentmagnetanordnungen 11, 12 eines Rotors sind in achsparalleler
Richtung magnetisiert und weisen Permanentmagnete 13, 14, 15, 16, 17, 18 bzw. 19,
20,.21, 22, 23, 24 auf, deren Feldrichtungen in jedem g/3 Sektor abwechselnd unterschiedlich
sind. Die Rotormagnetanordnungen 11 und 12 sind dabei in axialer Beabstandung gegeneinander
verdreht derart angeordnet, daß die Pole einander gegenüberliegender Permanentmagnete
ungleichnamig sind. Das Festlegen der Rotormagnetanordnungen 11 und 12 geschieht
mit Hilfe von Jochen 25 bzw. 26, die an einer Drehachse 27 mit axialem Abstand voneinander
festgelegt werden und so den Rotor bilden.
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Der Rotor ist demnach so ausgebildet, daß sich zwischen den Rotormagnetanordnungen
11 und 12 ein parallel zur Achse verlaufendes homogenes Magnetfeld zwischen den
axial einander gegenüberliegenden Permanentmagneten ergibt, das in Umfangsrichtung
gesehen jeweils nach einem Nfl /3-Winkelabschnitt seine
Richtung
ändert. Diese Änderung erfolgt aufgrund der dichten Nebeneinanderanordnung der Permanentmagnete
auf relativ sehr kleinem Raum, Die Antriebsspulen 28, 29, 30, 31 sind fächerförmig
gewunden, ihre jeweils wirksainen Seitenstränge 32, 33 und 34, 35 und 36, 37 und
38, 39 können jeweils eineMn t/3-Winkelabschnitt einnehmen.
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Die Antriebsspuien 28 und 29 sind einander diametral, d.h.
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mit einem Winkelabstand von # angeordnet. Die Antriebsspulen 30 und
31 weisen von der Antriebs spule 28 bzw. von der Antriebsspule 29 jeweils einen
Winkelabstand von auf.
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Die vier Antriebsspulen 28 bis 31 sind an einer Stator-Isolierplatte
48 festgelegt.
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49 und 50 sind Hall-Elemente, Das das Ausgangssignal für die Antriebsspulen
28, 29 liefernde Hall-Element 49 ist um den Winkelabstand von #/2 gegenüber der
Antrlebsspule 28 versetzt angeordnet-. Das das Ausgangssignal in die Antriebsspulen
30, liefcrnde Hall-Element 50 ist um einen Winkelabstand von #/2 gegenüber der Antriebsspule
30 versetzt angeordnet.
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Wie Fig. 3 weiterhin erkennen läßt, sind die Hall-Elemente 49 und
50 zusammen mit den vier Spulen 28 bis 31 auf der Isolierplatte 48 festgelegt und
bilden einen Stator. Weiterhin trägt die Isolicrplatte 48 nicht dargestellte transistorisierte
Stromkreise zur Steuerung des die Spulen 28 bis 31 durchfließenden Antriebsstromes
in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen dr Hall-Elemente 49 und 50. Wie man erkennt,
sind die Spulen und die Hall-Elemente in die Isolierplatte hineingebettet, so daß
sie eine besonders schmale Ausführung des Stators zulassen, was der Stärke des Magnetfeldes
im Luftspalt zwischen den Rotormagnetetanordnungen 11 und 12 zugute kommt. Darüberhinaus
sind sie vor fleschädigungen durch die sie umgebende Isolierplatte geschützt.
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Die zentralen Bohrungen der Rotormagnetanordnungen 11, 12 und diejenigen
der Joche 25 und 26 sind zur Aufnahme einer Rotationsachse vorgesehen, die auch
durch eine entsprechende Öffnung der Statorplatte 48 geführt wird.
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Bei in den Spalt zwischen den koaxialen Rotormagnetanordnungen 11
und 12 eingelagerter Trägerplatte 48 befinden sich die jeweiligen Seitenstränge
32, 33; 34, 35; 36, 37 und 38, 39 der Antriebsspulen 28, 29, 30 und 31 und die Hall-Elemente
49 und 50 in dem homogenen Magnetfeld zwischen den Rotormagnetanordnungen 11 und
12. Dies läßt Fig. 4 deutlich erkennen.
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Entgegen der Darstellung in Fig. 4, die hier insoweit nur erläuternden
Charakter hat, kann der Spalt zwischen den Magnete anordnungen 11 und 12 bzw. die
Spalte zwischen diesen und der Tr-ägerplat.te 48 außerordentlich gering gehalten
werden, was man durch eine entsprechend feine Ausrichtung und Eins tellung erreichen
kann. Dadurch wird nicht nur das Magnetfeld zwischen den Mzgnetanordnungen 11 und
12 stark, die Antriebsspulen und die Hall-Elemente befinden sich in dem gleichen
Magnetfeld und überdies läßt sich ohne weiteres erkennen, daß sich eine sehr flache
Bauweise des gesamten Motors ergibt. Da man die transistoisierten Steuerstromkreise
ebenfalls auf die isolierte Statorplatte 48 aufbringen kann, ergibt sich eine besonders
einfache Montage und Demontage; insbesondere können sämtliche elektrische Verbindungen
hergestellt werden, bevor der mechanische Zusammenbau des Motors stattfindet. Die
sich im Zentrum auch der Dicke der Antriebsspulen vorzugsweise be-findenden Hall-Elemente
sind vor negativen Einflüssen, so beispielsweise vor Berührung durch Vibrationseinflüsse
und dergleichen geschützt.
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Das Schaltbild gemäß Fig. 5 zeigt zwei Antriebs-Transistoren 52 und
53, durch welche die jeweiligen Ausgangssignale des Hall-Elementes 49 verstärkt
werden. Der verstärkte Strom wird den Antriebsspulen 28 und 29 zugeführt. 54 und
55 sind
Antriebs-Transistoren, mit deren Hilfe das jeweilige Ausgangssignal
des Hall-Elementes SO verstärkt und ein entsprechender Antriebsstrom in die Antriebsspulen
30, 31 geleitet wird.
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Fig, 6 zeigt Wellenformen des elektrischen Stromes i, der durch die
jeweiligen Antriebsspulen 28, 29, 30, 31 während der Umlaufzeit T des Motors fließt.
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Im Folgenden wird die Arbeitsweise des Motors anhand der Figuren 3
bis 6 näher erlautert. Durch Anschluß einer Energieversorgungsquelle werden die
Hall-Elemente 49, 50 mit Eingangsstrom versorgt.
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Geht man beispielsweise von der Stellung zwischen Stator und Rotor
aus, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, so wird das lIall-Element 49 von dem ntagnetischen
Feld der Permanentmagneten 17, 23 durchsetzt, während sich das Hall-Element 50 in
einem Totpunkt des Mägnetfeldes - von zwei gleichen Magnetfeidtilen unterschiedlicher
Richtung durchsetzt - befindet.
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Dadurch löst die in dem Hall-Element 49 erzeugte Ha npannung das Eingangssignal
fUr den Antriebstransistor 52 aus, der in seinen leitenden Zustand übergeht und
damit der Antriebsspule 28 Strom zuführt. Wenn der Strom in die mit Hilfe der ziele
40, 41 angezeigte vorbestimmte Richtung geleitet wird, werden im Bereich des Seitenstranges
32 die Permanentmagneten 18, 24 der Rotormagnetanordnungen 11, 12 und im Bereich
des Seitenstranges 33 die Permanentmagneten 13, 19 der Rotormagnetanordnunqen 11,
12 angetrieben, und zwar in gleicher Bewegungsrichtung derart, daß sich der Rotor
in der vorbestimmten Drehrichtung gemäß Pfeil 51 zu drehen beginnt. Unmittelbar
nach Beginn der Motordrehung wirkt das durch die Permanentmagnete 18, 24 aufgebrachte
Magnetfeld auf das Hall-Element 50, wodurch der Antriebstransistor 54 leitend geschaltet
wird und Strom durch die Antriebsspule 30 fließt.
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Wird dieser Strom in die vorbestimmte Richtung der Pfeile 44, 45 geleitet,
so werden im Bereich des Seitenstranges 36 die Permanentmagneten 13, 19 und im Bereich
des Seitenstranges 37 die Permanentmagneten 14, 20 angetrieben, das Drehmoment erhöht
sich in der vorbestimmten Richtung des Pfeiles 51. (Siehe Wellenformen in Fig. 6.)
Dadurch gerät - wenn sic der Rotor in Pfeilrichtung 51 um einen Drehwinkel von der
Größenordnung #/6 dreht, das Hall-Element 49 in einen Totpunkt des Magnetfeldes,
so daß der Stromfluß durch die Antriebs spule 28 unterbrochen wird. Jedoch wird
die Drehung des Rotors dadurch aufrechterhalten, daß der Strom durch die Antriebsspule
30 aufrechterhalten bleibt und entsprechend mit dem Magnetfeld der Rotormagnetanordnungen
11, 12 zusammcnwirkt.
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Deshalb wird das entgegengesetzte Magnetfeld der Permanentmagneten
16, 22 gleich anschließend auf das Hall-Element 49 wirksam, worauf nunmehr der dadurch
leitend gesteuerte Antriebstransistor 53 in die Antriebsspule 29 Strom fließen läßt.
Fließt dieser Strom in vorbestimmter Richtung gemäß der Pfeile 42, 43, so werden
im Bereich des Seitenstranges 43 die Permanentmagneten 14, 20 und im Bereich des
Seitenstranges 35 die Permenentmagneten 15, 21 angetrieben; das Drehmoment wirkt
additiv in der vorbestimmten Pfeilrichtung 51.
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Dreht sic der Rotor in Pfeilrichtung 51 um einen weiteren Drehwinkelabschnitt
#/6, so gerät das Hall-Element 50 in einen Totpunkt dcs Magnetfeldes, so daß der
Stromfluß durch die ]snt;ric]sspule 30 unterbrochen wird. Die Drehung des Rotors
wird jedoch aufgrund des durch die Antriebsspule 29 fließenden Stromes fortgesetzt,
der entsprechend mit dem Magnetfeld der Rotormagnetanordnung 11, 12 zusammenwirkt.
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Deshalb wird das entgegengerichtete Magnetfeld der Permanentmagneten
lI, 23 gleich danach auf das Hall-Element 50 angewandt, wodurch der Antriebstransistor
55 leitend gesteuert wird
und Strom durch die Antriebsspule 31
leitet.
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Fließt dieser Strom in der vorbestimmten Pfeilrichtung 46, 47, so
werden im Bereich des Seitenstranges 38 die Permanentmagnete 15, 21 und im Bereich
des Seitenstranges 39 die Permanentmagnete 15, 22 angetrieben, was ein in der vorbestimmten
Pfeilrichtung 51 additiv wirksames Drehmoment zur Folye hat.
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Hat sich der Rotor in Pfeilrichtung 51 um einen weiteren Drehwinkel
von #/6 gedreht, so gerät das Hall-Element 49 in einen Torpunkt des Magnetfeldes,
so daß der Stromfluß durch die Antriebsspule 29 unterbrochen wird. Der Rotor dreht
sich jedoch aufgrund des Stromes weiter, der durch die Antriebsspule 31 fließt und
mit dem Magnetfeld der Rotormagnetanordnung 11, 12 entsprechend zusammenwirkt. So
wird das Magnetfeld der Permanentmagneten 15, 21 der flotormagnetanordnung unmittelbar
darauf auf das IIall-Element 49 angewandt, wodurch der Antriebstransistor 52 die
Antriebsspule 28 speist.
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Wenn der elektric.che Strom in Pfeilrichtung 40, 41 fließt, werden
im Bereich des Seitenstranges 32 die Permanentl.lagneten 16, 22 und im Bereich des
Seitenstranges 33 die Permanentmagneten 17, 23 der Rotormanetanordnungen 11, 12
angetrieben, das dadurch gegebene Drehmoment wirktwiederum additiv in der vorbestimmten
Pfeilrichtung 51. Eine weitere Drehung des Rotors in Pfeilrichtung im einen Winkel
von rli /6 führt dazu, daß das Hall-Element 50 in einen Totpunkt des Magnetfeldes
gerät, so daß der Stromfluß durch die Antriebsspule 31 aufhört. Der Rotor dreht
sich jedoch aufgrund des Stromes weiter, der durch die Antriebsspule 28 fließt und
mit dem Magnetfeld der Rotormagnetanordnungen 11, 12 entsprechend zusammenwirkt.
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Durch die Wiederholung des obigen Arbeitsvorganges dreht der Rotor
gleichmäßig in der vorbestimmten Richtung. Darüberhinaus wird das Magnetfeld, wann
immer der Rotor in irgendeiner Lage anhält, auf wenigstens ein llall-Element wirksam
angewandt, so
daß der Rotor aus jeder möglichen Verdrehlage sicher
selbsttätig anläuft.
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Um die Drehrichtung zu wechseln, wurden bei bekannten Motoren dieser
Art bislang die Anschlüsse des Hall-Elementes entsprechend geändert oder die Antriebsspulen
wurden gedreht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Motor ist es dagegen möglich, die Drehrichtungsänderung
einfach durch Umkehr der Richtung des die Antriebsspulen durchfließenden Stromes
zu erreichen. Wie in Fig. 6 dargestellt, fließt elektrischer Strom pro Umdrehungs
zeitraum T dreimal durch jede der vier Antriebs spulen 28 bis 31 Da die tIall-Elemente
in dem homogenen, in den Ubergängen scharf abgegrenzten Magnetfeld angeordnet sind,
tritt die IIallspannung sehr schnell auf und verschwindet sehr schnell, was sich
in einem entsprechend steilen -Ansteigen bzw. Abfallen- des elektrischen Stromes
in den Antriebsspulen äußert. Auf diese Weise weist der erfindungsgemäße Motor eine
gleichförmige Drehbewegung bei vorteilhafter Drehmoment-Charakteristik auf.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ist die Antriebsspule 31
weggelassen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 fehlen die Antriebsspulen 30,
31 und das Hall-Element 50.
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Eine Aussparung 56 ist in die isolierplatte 48 eingebracht, sie umschließt
in montiertem Zustand die Drehachse und ist bis an den äußeren Rand der Platte geführt,
so daß die Statorplatte durch Aufschieben auf bzw. Abziehen von der Rotorachse leicht
angebracht und entfernt werden kann.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 arbeitet ohne die in Fig. 6 dargestellte
Wellenform des Stromes in der Antriebsspule 31; bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 8 entfallen die Wellenformen für den Strom in den Antriebs spulen 30 und 31.
Dennoch ergibt sich bei beiden AusfüElrungsheispielen noch eine gleichftirmige Drehbewegung
des Rotors.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 läßt zunächst. erkennen,
daß
das Anbringen der Aussparung 56 nicht unbedingt zu dem Verlust einer Antriebsspule
führen muß. Darüberhinaus zeigt dieses Ausführungsbeispiel die Verwendung von magnetischen
Widerstands-Elementen. Wie aus Fig. 9 und auch aus der zugehörigen Seitenansicht
in Fig. 10 ersichtlich, sind bei den Rotonnagnetanordnungen 11 und 12 abwechselnd
Permanentmagnete mit einer größeren und solche mit einer kleineren Radialabmessung
vorgesehen. Die Magnete umfassen jeweils einen 'ir/3-Segmentbereich , Magnete gleicher
Radialabmessungen liegen einander gegenüber. Magnetische Widerstands-Elemente 57,
58, 59 und 60 sind so angeordnet, daß sie #/6-Winkelabstand aufeinender folgen und
in dem Kreisringbereich liegen, der nur von den Magneten mit großer Radialabmessung
überstrichen wird.
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Der Widerstand der jeweiligen magnetischen Wiederstande-Elemente
57, 58, 59 und 60 ändert sich demnach in Abhängigkeit von dem Magnetfeld, das zu
1 alle Yi/3-Drehwegabschnitte durch die Magnete großer Radialabmessung auftritt,
was der Steuerung des Stromes durch die jeweils entsprechenden Antriebsspulen 28,
29, 30 und 31 dient, Die Wellenformen des Stromes durch die Spulen sind dieselben,
wie die in Fig. 6 dargestellten. Fig. 11 zeigt ein Schaltbild, das deutlich macht,
wie die magnetischen Widerstands-Elemente 57 bis 60 die Antriebstransistoren 52
bis 55 und damit den Strom durch die Antriebsspulen 28 bis 31 steuern. Im Gegensatz
zu den Hall-Elementen wird hier durch ein Widerstands-Element jeweils nur ein Antricbstransistor
geschaltet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 sind die Permanentmagnetanordnungen
11, 12 des Rotors aus jeweils 8 in Axialrichtung magnetisierten Permanentmagneten
63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70 und 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78 aufgehaut, die
ebenso wie bei den vorigen Beispielen derart angeordnet sind, daß die angrenzenden
Magnete mit ungleichnamiqen Polen um jeweils t4-Winkelabschnitte gegeneinander versetzt
sind.
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Die axial fluchtenden Permanentmagnete sind einander mit Ull
gleichnamigen
Polen zugewandt; dadurch ergibt sich wiederum das in.Drehachsenrichtung verlaufende
homogene Magnetfeld, das scharf abgegrenzt in Umfangsrichtung gesehen alle #/4-Winkelabstand
seine Richtung ändert. Wie dies insbesondere aus Fig. 13 ersichtlich ist, sind die
die Permanentmagnete aufweisenden Joche 25 und 26 über eine Achsbuchse 79 miteinander
zu einem Rotor verbunden.
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Die Statorplatte 48 trägt zwei jeweils über einen #/4-Winkelabstand
gewundene Antriebsspulen 82 und 83, die von einem hall-Element 84 gesteuert werden.
Wie bereits bei den vorigen Beispielen sind auch hier die Antriebsspulen und das
Hall-Element an bzw< innerhalb der Statorplatte festgelegt und in den schmal
zu haltenden Stator zwischen den Permanentmagnetten des Rotors-eingelagert.
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Unter der Annahme, daß 81 eine anzutreibende Welle und 80 eine ortsfeste
Wand ist, zeigt Fig. 13, wie einfach und platzsparend sich dererfindungs-gemäße
Motor anbauen -läßt. Die Welle 81 ist in dem Lager 95 an der ortsfesten Wand 80
gelagert.
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Der aus den Jochen 25 und 26 mit den Magnetanordnungen 11 und 12 durch
Verbindung über die Achsmuffe 79 gebildete Rotor wird auf den lerausragenden Wellenstumpf
der Drehwelle 81 aufgeschoben und mit hilfe einer Mutter 96 an dieser verdrehfest
angeordnet. Die Verdrehfestigkeit zwischen dem Rotor und dem Wellenstumpf kann auf
beliebige bekannte Weise hergestellt werden. Die mit den Antriebsspulen 82 und 83,
dem Hall-Element 84 und einem-nicht dargestellten, transistorisierten Stromkreis
(Fig. 15) versehene, fix und fertig verdrahtete Statorplatte 48 wird nun über die
Aussparung 56 auf die Achsmuffe 79 geschoben, die dadurch in ihrer Drehbeweglichkeit
nicht behindert wird. Mittels Bohrungen 94 durchgreifender Schrauben 98 wird die
Trägerplatte dann an von der ortsfesten Wand 80 abragenden Vorsprüngen 97 festgelegt.
Nach Anlegen der Betrieb spannung an entsprechende Statorplattenanschlüsse ist der
Motor betriebsbereit, der Antrieb geht wie folgt vor sich:
Das
Hall-Element 84 ist gegenüber der Antriebsspule 82 um einen Winkelabschnitt von
5/8/je in Drehrichtung versetzt.
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Fig. 14 zeigt die Wellenform einer Hall-Spannung V, die in einer Umdrehungszeit
T - wie mittels der durchgehenden Linie gezeigt - auftritt. In Fig. 15 ist ein Schaltbild
einer für das vorliegende Beispiel geeigneten Schaltungsanordnung dargestellt. Das
Hall-Element 84 erfaßt den jeweils an seinem Anbringungsort herrschenden Magnetfluß
nach Richtung und Größe. Wenn zum Beispiel die Verdrehlage zwischen dem Rotor und
dem Stator so gegeben ist, wie dies Fig. 12 zeigt, so wird das Hall-Element 84 dem
Magnetfeld der Permanentmagneten 65 und 73 ausgesetzt.
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Die in dem Hall-Element 84 auftretende Hall-Spannung führt zu einem
elektrischen Strom durch die Antriebsspule 82, indem das Eingangssignal eines Transistors
52 (Fig. 15) positiv gemacht wird. Der Strom fließt durch die Seitenstränge 86,
87 der Antriebsspule 82 in der durch die Pfeile 90, 91 angegebenen vorbestimmten
Richtung. Zwischen dem Strom in dem Seitenstrang 68 und dem Magnetfeld der Permanentmagneten
70, 78 einerseits und zwischen dem Strom in dem Strang 87 und dem Magnetfeld der
Permanentmagneten 63, 71 andererseits herrscht eine Wechselwirkung nach dem entsprechenden
Gesetz des Elektromegnetismus, die dazu führt, daß sich der Rotor in der vorgeschriebenen
Drehrichtung 51 zu bewegen beginnt.
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Wenn sich der Rotor um/8 dreht, wird das Hall-Element 84 dem Magnetfeld
der Permanentmagneten 64, 72 des Rotors ausgesetzt.
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Elektrischer Strom wird nunmehr der Antriebsspule 83 zugeführt, indem
das Eingangssignal des Antriebstransistors 52 negativ und das des Antriebstransitors
53 positiv gemacht wird. Der Strom fließt nun durch die Stränge 88, 89 der Antriebsspule
83 in der durch die Pfeile 92 und 93 angegebenen vorbestimmten Richtung. Aufgrund
der Wechselwirkung zwischen dem Strom in dem Strang 88 und dem Magnetfeld der Dauermagneten
65 und 73 und dem Strom in dem Strang 89 und dem Magnetfeld
der
Permanentmagneten 66 und 74 des Rotors dreht dieser weiter in der bereits innegehabten
Drehrichtung. Hat sich der Rotor insgesamt um #/4 weitergedreht, so wird das Eingangssignal
-des Antriebstransistors 52 wieder positiv und das Eingangssignal des Antriebstransistors
53 negativ. Durch Wiederholen des gleichen Vorganges wird die Drehung des Rotors
in der vorbestimmten Richtung aufrechterhalten.
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Der Mittelpunktswinkel (öffnungswinkel) der Antriebs spule ist mit
t /4 in diesem Beispiel festgelegt, d.h. 2#, : Anzahl der Magnetpole des Rotors.
Der durch die t!4-Sektor-förmigen Dauermagneten gegebene gleichförmige Magnetfluß
ändert alle t/4 Winkelgrade bei der Drehung des Rotors seine Richtung und löst eine
entsprechend steilflankige Hallspannung aus.
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Darüberhinaus ist der Winkel zwischen den durch ein Hall-Element gesteuerten
Antriebs spulen abhängig von dem Winkel zwischen den Permanentmagneten, deren Magnetisierungsrichtung
jeden #/4-Sektor schnell geändert wird, d.h. ein ganzzahliges Vielfaches von tg
: Zahlder Magnetpole des Rotors. In über einstimmung damit ist - ohne andere frei
wählbare Möglichkeiten dadurch auszuschließen - in dem Ausführungsbeispiel gemäß
der Erfindung der Winkel gleich #, nämlich
Die Antriebsspulen sind symmetrisch angeordnet, die Montage ist dadurch leicht.
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Der Winkelabstand zwischen dem Hall-Element 34 und der Antriebsspule
82 ergibt sich -aus der Addition des ganzzahligen Vielfachen von 2t : Anzahl der
Magnetpole des Rotors und #, Anzahl der Pole des Rotors. Ohne andere frei wählbare
Möglichkeiten auszuschließen, ist gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel dieser
Winkelabstand zwischen dem Hall-Element und der Antriebsspule 32 zu .
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fetsgelegt.
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Fig. 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung,
bei dem zusätzliche Antriebsspulen 99, 100 und ein weiteres zugeordnetes Hall-ElementlOl
vorgesehen sind.
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Der öffnungswinkel der Antriebsspulen, der gegenseitige Winkelabstand
zwischen den Antriebs spulen und der gegenseitige winkelabstand zwischen dem Hall-Element
und den zugeordneten Antriebsspulen werden ebenfalls durch obige Formeln erhalten.
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Die gegenseitige Winkelbeabstandung zwischen dem Hall-Element 84 und
dem Hall-Element 101 wird durch Addition des ganzzahligen Vielfachen von 2#: Rotormagnetpolzahl
und # s Rotormagnetpolzahl gewonnen. Bei dem Ausftihrungsbeiapiel gemäß Fig. 16
ist der Winkelabstandswert zu
gewählt.
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Die Hall-Spannung und die Charakteristik des Hall-Elementes 101 sind
die gleichen wie die des Hall-Elementes 84. Lediglich die Phase der auftretenden
Signale ist entsprechend des Winkelabstandes verschoben, wie dies die strichpunktierte
Darstellung in Fig. 14 zeigt. Der Motor arbeitet nach demselben Prinzip wie bei
dem vorherigen Ausführungebeispiel dargelegt.
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In Fig. 17 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel wiedergegeben; Fig.
18 zeigt ein dafür geeignetes Stromlaufdiagramm.
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Die Permanentmagnetanordnungen 11, 12 des Rotors sind mit Permanentmagneten
63, 65, 67, 69 und 71, 73, 75, 77 versehen, die eine größere Radialabmessung aufweisen
als weitcre Permanentmagnete 64, 66, 68, 70 und 72, 74, 76, 78. Dabei sind die radial
größeren und radial kleineren Magnete in Umfangsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgend
und sich jeweils Uber einen Winkelbereich von54/4 erstreckend angeordnet. Die radial
größeren und die radial kleineren Magnete beider Joche liegen sich jeweils gegenüber
und bilden den Rotor. Der Stator
entspricht dem des obigen Ausführungsbeispieles,
bis auf Reluktanzelemente (magnetische Widerstandselemente) 101, 103, die im gegenseitigen
Winkelabstand von r/4 angeordnetsind.
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Die magnetischen Reluktanzelemente 101 und 103 sind innerhalb des
Deckungsbereiches der Permanentmagnete mit der größeren Radialabmessung angeordnet,
die alle 1~1 /4-Abstand auftreten und in entsprechenden Zeitabständen Änderungen
des Widerstandes durch Änderungen des magnetischen Feldzustandes bei der Rotor drehung
bewirken.
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Ein Motor mit zwei Reluktanzelementen, die insoweit keine Polarität
aufweisen, arbeitet dem Prinzip nach genauso wie ein Motor mit einem Hall-Element
nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12. Dies läßt deutlich die Schaltskizze
gemäß Fig. 18 erkennen, wonach jeder der beiden Antriebstransistoren 52 und 53 jeweils
von einem Reluktanzelement 102 bzw. 103 gesteuert wird.
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In den Figuren 19 und 20 ist dargestellt, wie sicher, präzis und einfach
ein Abtastelement - hier das Hall-Element 84 -an der Statorplatte 48 festgelegt
werden kann. Im Falle der Figur 19 weist die Trägerplatte eine Durchbrechung 108
auf, in welche das Hall-Element 84 eingelegt ist. Im Falle der Fig.
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20 befindet sich das Hall-Element 84 oberhalb einer der Seitenflächen
der Trägerplatte 48. Durch Markieren dieser Festlegestelle ist immer die genaue
Zuordnung zu dem Magnetfeld des Rotors und zu den.Antriebsspulen, beispielsweise
82 und 83 gemäß Fig. 12, gegeben, wenn das Hall-Element 84 in.die Durchbrechung
108 e-ingelegt oder aber an vorbezeichneter Stelle (Fig. 20) festgelegt wird. Die
Präzision der Anordnung des -Hall-Elementes 84 wird noch dadurch erhöht, daß jeweils
die Lage zu dem Magnetfeld des Rotors durch einen Pfeil 104 und die Lage zu den
Spulen 8Z, 83 mittels eines Pfeiles 105 bestimmt ist. Das Festlegen und Verbinden
der Anschlüsse 106
des Hall-Elementes 84 läßt sich zugleich dadurch
erreichen, daß diese durch Löten mit einem nahe der Durchgangsöffnung 108 oder der
vorbestimmten Position vorgesehenen Kupferblattsteg 107 verbunden werden. Der Einbau
des Hall-Elementes gestaltet sich dadurch äußerst einfach und zeitsparend. Darüberhinaus
kann das Hall-Element mit Hilfe eines Klebemittels noch weiter befestigt werden.
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Dem Einlagern des Hall-Elementes oder eines anderen magnetischen Abtastelementes
in eine Durchbrechung der Statorplatte steht es gleich, wenn anstelle der Durchbrechung
eine entsprechende Aushöhlung vorgesehen ist. Es muß lediglich sichergestellt werden,
daß die Statorplatte die Form und Eigenschaft aufweist, das magnetische Abtastelement
einem Magnetfeld auszusetzen und nicht etwa als Abschirmung wirkt.
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In der vorhergehenden Beschreibung wurden aus Zweckmäßigkeitsgründen
Beispiele mit sechs bzw. acht Magnetpolen wiedergegeben, doch ist die Erfindung
nicht auf die Anzahl von Magnetpolen und auf die Anzahl der magnetischen Abtastelemente
beschränkt.