DE2443454A1

DE2443454A1 - Magnetumwandler

Info

Publication number: DE2443454A1
Application number: DE2443454A
Authority: DE
Inventors: Herbert Herman Ast; Jun Wilson Bradley
Original assignee: BRADLEY JUN
Current assignee: BRADLEY JUN
Priority date: 1973-09-13
Filing date: 1974-09-11
Publication date: 1975-03-27
Also published as: DE2443454B2; DE2443454C3; CA1038057A; US3842385A; FR2244160B3; JPS5057467A; FR2244160A1; GB1465335A

Description

DIPL.-ΙΝβ. DR. IUR. DIPI INQ.

VOLKER BUSSE DIETRICH BUSSE

45 Osnabrück, den 9. September

MöSERSTRASSE2O/24 „„ _/VT„

VB/NO

Wilson Bradley jr.

l80 South Lake Avenue, Pasadena,

California 91101, U.S.A-»

Magnetumwandler

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetumwandler und betrifft insbesondere die Schaffung eines Allzweckumwandlers, bei dem eine kleine Eingangsverschiebung eine , erwünscht möglichst große Änderung in einem elektrischen Parameter erzeugt.

Es werden einfache und genaue Umwandler der oben erwähnten Allzweckart benötigt, die sich durch hohe Schärfe bzw. Auflösung und Genauigkeit der Ausgangsleistung bei kleinen Eingangslelstungs-Verschiebungen in der Größenordnung von 2,5 mm (0,1 Zoll) und weniger auszeichnen. Eine erwünscht einfache Lösung dieses Problems verkörpert die Verwendung eines Widerstandsmaterials, das auf Änderungen in einem Magnetfeld anspricht, d.h. eines sog. magnetoresistiven Materials. Magnetfelder neigen Jedoch dazu, unlinear zu sein und eine Streuung

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zu haben, wodurch das weitere Problem auftritt, wie eine maximale und gesteuerte Änderung an Fluß· oder Feldintensität für Eingangsleistungs-Verschiebungen von weniger als 2,5 mm bewirkt werden kann. Weitere Probleme bestehen in den Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Materialien des Umwandlers, welche Ausgangsleistungslinearitäten erzeugen, und in der durch von den Polen auf den Anker ausgeübten magnetischen Anziehungen entstehenden Unlinearität.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit in der Schaffung eines Allzweckumwandlers, bei dem sowohl die obigen als auch weitere auf diesem Gebiet auftretende Probleme abgestellt oder verringert werden.

Zu diesem Zweck sieht die Erfindung einen Umwandler zur Schaffung einer elektrischen Ausgangsleistung, die in Abhängigkeit von einer zugeführten Verschiebe-Eingangsleistung variiert vor, der gekennzeichnet ist durch im Abstand zueinander angeordnete Pole entgegengesetzter Polarität, einen Magnetfluß tibertragenden Anker der zum Vergrößern bzw. Verringern seiner Plußübertragung in Längsrichtung in bezug auf die Pole vor- und zurückbewegbar ist und ein zum Weiterleiten des Flusses von dem Anker getragenes, auf Fluß ansprechendes Element mit in Abhängigkeit von der Intensität von durch das Element weitergeleitetem Fluß variierender elektrischer Impedanz, wobei der Anker einen Bewegungsgesamtbereich zwischen Begrenzungen aufweist, an einer von denen die

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Flußübertragung durch das Element bei einem Maximum liegt, und wobei eine mit dem Anker zusammenwirkende Einrichtung vorgesehen' ist, die ein Absinken des durch das Element weitergeleiteten Flusses auf etwa Null bewirkt, wenn sich der Anker an der anderen Grenze befindet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.

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Mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine

bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen in bestimmten Bereichen weggebrochenen

Schnitt nach Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 bis 3 verwende

ten Anker,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Ankers in Fig. ¹I,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 7 einen Schnitt einer weiteren Abwandlung.

Der in der Zeichnung veranschaulichte Umwandler 10 umfaßt magnetische Pole 11 und 12 entgegengesetzter Polarität, die an gegenüberliegenden Seiten einer Längsachse 13 im Abstand zueinander angeordnet sind. Die Pole können sich z.B. an langgestreckten Magneten I¹I und 15 befinden, die gleitend in Bohrungen 16 und 17 in einer Zwischen- bzw. Querwand 18 und in Bohrungen 19 und 20 in einem Verschlußdeckel 21 eines Gehäuses 22 geführt sind. Der Verschlußdeckel 21 kann in geeigneter Weise an dem Gehäuse befestigt sein und zwei Justierhalter oder Einstellschrauben 23 führen, die bei 2¹» Gewindeverbindung mit den Polstücken haben und in Schlitzen in der Querwand gehalten werden.

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Somit ist eine Einrichtung vorgesehen, durch die die Polstücke in Längsverschiebung einstellbar sind, d.h. in Abhängigkeit zur Rotation der Schrauben '23, und zwar zu nachstehend ersichtlichen Kalibrierzwecken. Der Umwandler umfaßt ferner jsinen magnetischen Fluß übertragenden Anker, der zum Steigern bzw. Verringern seiner Flußübertragung in Längsrichtung in Bezug auf die Pole vor- und zurückbewegbar ist. Bei dem Ausführungsbeispiel ist der sich quer erstreckende Anker 26 vorteilhaft von einer sich in Längsrichtung erstreckenden Welle 27 getragen, der eine Eingangsbewegung, wie durch Pfeile 28 angedeutet, zugeführt werden kann. Die Welle kann eine Mehrzahl zylindrischer Vergrößerungen bzw. Ausweitungen aufweisen, wie bei 29 bis 34 angedeutet und sich in typischer Weise durch eine Bohrung 35 in dem Verschlußdeckel 21, eine Bohrung 36 in der Querwand 18, eine Bohrung 37 in einem Kurzschlußbügel 38 und eine Bohrung 39 in einem gegenüberliegenden Verschlußdeckel 40 erstrecken. Eine flexible Membrane

41 ist an ihrem Innenumfang zwischen den Ausweitungen 29 und eingeklemmt und wird an ihrem Außenumfang durch einen Haltering

42 an einer in dem oberen Verschlußdeckel ausgebildeten ringförmigen Schulter 43 festgehalten, wodurch die Membrane an der Oberseite des Ankers 26 ein Abdichten zwischen der Welle und dem Verschlußdeckel 21 bewirkt. In ähnlicher Weise ist eine flexible Membrane 44 am Innenumfang zwischen den Ausweitungen 33 und 34 der Welle 27 eingeklemmt und mit ihrem Außenrand durch einen Haltering 45 gegen eine ringförmige Schulter 46 in dem unteren Verschlußdeckel gedrückt, wodurch die untere Membran zwischen

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der Welle und der Verschlußkappe 40 an der Unterseite des Ankers 26 abdichtet 5 somit bleibt die Welle zur Durchführung einer Längsbewegung fähig.

Die Welle ist zu ihrer Bewegung vorteilhaft durch eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Federeinrichtung abgestützt. Bei dem Ausführungsbeispiel sind parallele Flachfedern 48 und 49 zentrisch mit den Wellenausweitungen 30 und 31 verbunden und erstrecken sich in Querrichtung von zu einer Seite der Welle ange ordneten gleichen Federträgern 50 und 51. Jede Flachfeder umfaßt Federarme 90 und 91 und einen Mittelabschnitt 92. Die Federträger werden durch die Querwand l8 abgestützt und erstrecke sich zur Befestigung an den Federn, wie bei 50a und 50b sowie bei 51a und 51b dargestellt, oberhalb und unterhalb der Querwand. Die Querwand ist ihrerseits durch Längsstützen 52 abgestützt, die sich zwischen der Querwand 18 und dem Verschlußdeckel 21 und zwischen der Querwand 18 und dem Kurzschlußbügel 38 erstreckende vergrößerte Abschnitte 52a bzw. 52b umfassen. Die Längsstützen 52 sind bei 52c und 52d mit innerhalb der Bohrungen 53 und 54 in den Verschlußdeckeln 21 und 40 aufnehmbaren verkleinerten Führungsenden ausgebildet, die das Zusammenbauen bzw. Auseinandernehmen des Umwandlers erleichtern.

Der Umwandler umfaßt weiter ein vom Anker abgestütztes, auf Fluß ansprechendes Element zum Weiterleiten des quer durch den Anker übertragenen Flusses , wobei sich das Element dadurch aus-

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zeichnet, daß es eine elektrische Impedanz aufweist, die in Abhängigkeit von der Intensität des durch das Element weitergeleiteten Flusses variiert. Bestimmte Beispiele für derartige Elemente sind die in dem Artikel "Use of Magnetoresistors in Measuring Non-Elektrlc Quantities" von Ulrich Eberhardt und Walter Oehler, veröffentlicht ifl Siemens Electronik Compnents Bulletin, IV (1969) No.. 1, beschriebenen, während andere Beispiele in Impedanzelementen anderer Typen bestehen. In den Fig.

I bis 5 erstreckt sich der dargestellte Anker 26 in Querrichtung und hat zwei gleiche in Längsrichtung in Flucht mit den Polen

II und 12 bewegbare relativ breite Bereiche 26a und zwei gleiche, dazwischenliegende, relativ schmale Bereiche 26b. Der Magnetoresistor 55 ist unmittelbar zwischen den Bereichen 26b angeordnet i um den gesamten zwischen diesen Flußkonzentrations- und streubereichen passierenden Fluß weiterzuleiten. Von dem Element 55 erstrecken sich Leitungen 56 zu einem bei 57 in Fig. 4 dargestellten geeigneten Schaltkreis zum Aufbringen von Spannung auf das Element 55 und zum Feststellen einer Stromänderung infolge einer Widerstandsänderung des Elements. Eine solche Widerstandsänderung ist naturgemäß eine unmittelbare Folge der Längsbewegung des Ankers in Richtung zu oder von den Polstücken 11 und 12. Die Erfindung eignet sich besonders für das Erzeugen hochlinearer Auslesungen als Funktion geringer Wellen- oder Ankerlängsverschiebung;; das bedeutet, daß schon bei kleinen Verlagerungen (von weniger als etwa 2,5 mm) gute Schärfe bzw. Auflösung und Genauigkeit erreicht werden, obgleich die Erfindung

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in ihrer Anwendung nicht auf irgendwelche speziellen Eingangsverlagerungen beschränkt ist.

Aufgrund der Umwandlergestaltung kann das magnetoresistlve Element in charakteristischer Weise einer Widerstandsänderung vor zumindest 400 % ausgesetzt sein, wenn der Anker über seinen in Fig. 2 durch die Abmessung "s" angedeuteten Bewegungsbereich bewegt wird. Eine solche hohe Widerstandsänderung ermöglicht . die Verwendung des Umwandlers für Messungen, die nur einen kleinen Bruchteil einer vollen Verschiebung darstellen und noch immer äußerst hohe Genauigkeit behalten. An der durch die gestrichelte Linie 60 angedeutete'n oberen Grenze ist der durch . das .Element 55 übertragene Fluß auf einem Maximum, wogegen..:' -. an der unteren Grenze, die durch die in Flg. 2 in durchgehender. Linie, dargestellte Stellung des Ankers ersichtlich ist, eine- ; Einrichtung zum Zusammenwirken mit dem Anker vorgesehen ist,:. _ -um-den-durch das Element weitergeleiteten Fluß zum Absinken auf Null oder nahe Null zu bringen. Bei dem dargestellten Beispiel besteht diese Einrichtung aus einem Fluß-Kurzschlußbügel, der in Form der vorstehend beschriebenen Querwand 38 ausgebildet seir kann. Letztere erstreckt sich seitlich nahe und im wesentlichen parallel zu dem Anker und wird zwischen Abschlußdeckel ¹IO und Stützenvergrößerungen oder Buchsen 52b festgehalten. Der Kurzschlußbügel 38 zeichnet sich durch hohe Flußdurchlässigkeit aus und kann z.B. aus einer geeigneten magnetischen Legierung bestehen.

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Es sei bemerkt, daß die Anziehungskräfte zwischen dem Anker und den beiden permanenten Magnetpolen 11 und 12 einerseits und der

Querwand 38 (Kurzschlußbügel) andererseits durch geeignetes Anordnen der Federträger 50 und 51 ausbalanciert werden können.·

Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft das' überwinden des Problems der Leistungsschwankung des magnetoresistiven Elements in Abhängigkeit von Temperaturveränderungen. Eine solche Schwankung resultiert aus der üblichen Impedanzschwankung magnetisch empfindlichen Materials. Um dieser Wirkung entgegenzutreten und Linearität aufrechtzuerhalten, ist eine Einrichtung für'einen steuerbaren mengenmäßigen überbrückungsfluß als Folge von Temperaturschwankung vorgesehen. Bei dem Ausführungsbeispiel umfaßt ■diese. Einrichtung in ungewöhnlich vorteilhafter Weise einen sich an den dem Anker gegenüberliegenden Seiten der Pole 11 und 12 quer zwischen diesen erstreckenden magnetischen Shuntteil 65 und außerdem einen magnetischen Fluß ableitenden Träger 66 für den Anker 26. Die Fig. 3 zeigt den Ankerträger 66 in Rinnenform zum Umfassen des Ankers zwischen Haltearmen 66a, die sich bei 66b übe] die obere Seite des Ankers, d.h. zwischen dem Anker und den Polen 11 und 12, erstrecken. Die Teile 65 und 66 können aus einem Material, bestehen, dessen Flußdurchlässigkeit sich bei steigender Temperatur verändert. So können die Teile 65 und 66 z.B. aus einer magnetischen Legierung bestehen. Damit kann die Ausbringungsveränderung des Elements 55 in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen abgestellt werden, indem z.B. Jeweils etwa die

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Hälfte des Temperaturausgleichs durch den Teil 65 und durch den Träger 66 bewirkt wird.

Entsprechend Fig. 1 und 2 kann das Gehäuseinnere mit Flüssigkeit gefüllt sein, um Schwerkraftauswirkungen auf die sich bewegenden Teile zu vermeiden oder verringern.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Abwandlung ersetzen zwei Hilfs-. pole 70 und'71 den Kurzschlußbügel bzw. die Querwand 38, wobei die übrigen Teile der Fig. 1 bis 5 unverändert bleiben. Pol 70 hat entgegengesetzte Polarität zu Pol 11 und Pol 71 entgegen- ' gesetzte Polarität zu Pol 12. Ah einer bestimmten Stelle zwischen den beiden Polsätzen erreicht oder nähert sich der seitlich durch den.Anker-und das Element 55 übertragene Fluß NULL, entsprechend der Stellung des Ankers neben dem Kurzschlußbügel 38 in Fig. :2.:

Bei der in Fig, 7 dargestellten Abwandlung umfaßt der Anker.80 einen verlängerten Schaft 8l mit Köpfen 82a und 82b an seinen.. entgegengesetzten Enden. Die Pole entgegengesetzter Polarität- sin bei 83a und 83b als in Längsrichtung im gegenseitigen Abstand und auf einem rohrförmigen magnetischen Teil 83 angeordnet dargestellt, der sich koaxial zu dem Anker erstreckt, wobei die Mittelachse bei 84 angedeutet ist. Zum Weiterleiten von Fluß ■ trägt der Anker ein auf Fluß ansprechendes Element 85, das · · sich'durch das Aufweisen elektrischer Impedanz auszeichnet, die' in Abhängigkeit von der Intensität des durch das Element weiter-

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geleiteten Flusses variiert. Somit entspricht das Element 85 dem obenbeschriebenen Element 55·

eine Der Anker ist z.B. durch eine Welle 87 oder/andere Konstruktion in .Bezug auf den Teil 83 in Längsrichtung bewegbar, wobei der ■ eine oder der andere der Teile 80 und 83 in Bezug auf den anderen und in Längsrichtung bewegbar sein kann. Der Gesamtbereich der Ankerbewegung liegt zwischen Begrenzungen, an einer von denen · (die in durchgehender Linie dargestellte Position) die Flußübertragung durch das Element 85 bei einem Maximum liegt; die andere Begrenzung ist durch die in gestrichelter Linie dargestellte Anke stellung 83c angedeutet, an der die Flußübertragung durch das Element 85 bei einem Minimum liegt.

Eine mit dem Anker zusammenwirkende Einrichtung, die den durch das Element weitergeleiteten Fluß an der Ankerstellung 83c zum"

Absinken-auf nahe Null bringt, umfaßt .einen Fluß-Kurzschluß---

bügel 86 z.B. in Form eines Rohrs oder Zylinders, der Bereiche' des Ankers und des magnetischen Teils 83 aufnimmt. Bei in Ankerstellung 83c befindlichem Anker befindet sich der Kopf 82a" • etwa auf halbem Wege zwischen den Polen 83a und 83b und liegt ■ -radial innerhalb des ringförmigen Endes 86a des Kurzschluß- -btigels86; in gleicher Weise liegt der Kopf 82b des Ankers dann ^;'' radial innerhalb des ringförmigen Endes 86b des Bügels 86.

Die Teile 83 und 86 müssen nicht rohrförmig und können auf eine Seite des Ankers begrenzt sein.

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Claims

- 12 Patentansprüche:

1,\ Magnetumwandler zur Schaffung einer elektrischen Ausgangsledsbung, die in Abhängigkeit von einer zugeführten Verschiebe-E in gangs leistung variiert, gekennzeichnet durch im Abstand zueinander angeordnete Pole (11,12;83a,83b) entgegengesetzter Polarität, einen Magnetfluß übertragenden Anker (26,8l) der zum Vergrößern bzw. Verringern seiner Flußübertragung in Längsrichtung in Bezug auf die Pole vor- und zurückbewegbar ist, und ein zum Weiterleiten des Flusses von dem Anker getragenes, auf·-* Fluß ansprechendes Element (55,85) mit in Abhängigkeit von der Intensität von durch das Element weitergeleitetem Fluß variierender elektrischer Impedanz, wobei der Anker einen Bewegungsgesamtbereich jzwischen Begrenzungen aufweist, an einer von denen die Flußübertragung durch das Element bei einem Maximum liegt, und wob -eine mit dem Anker zusammenwirkende Einrichtung vorgesehen ist, ■ die ein Absinken des durch das Element weitergeleiteten Flusses auf etwa Null bewirkt, wenn sich der Anker an der anderen Grenze befindet.

.2. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß .«:■ das Element (55,85) magnetoresistiv ist und bei Ankerbewegung zwischen den Begrenzungen einer Widerstandsveränderung von zumindest 400 % ausgesetzt ist.

3. Umwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (26) sich seitlich erstreckt und in Längsrichtung

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in Flucht mit den Polen bewegbare, relativ breite Bereiche (26a) und dazwischenliegende, relative schmale Bereiche (26b) aufweist, wobei das Element (55) zwischen den relativ schmalen Bereichen angeordnet ist.

4. Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Flußüberbrückungseinrichtung (65), de sich zwischen den Polen erstreckt und zwischen diesen in Abhängigkeit von der Temperatur vorhandenen Fluß mengenmäßig ausgleicht,

5. - —Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis *J, gekennzeichnet durch eine Flußüberbrückungseinrichtung (66), die sich an ·. den Anker angrenzend erstreckt und in Abhängigkeit von der Temperatur dazwischen vorhandenen Fluß mengenmäßig ausgleicht .>.

6. ■-._ Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge-. kennzeichnet, daß die Einrichtung (66) einen Fluß-Kurzschluß- - bügel (38) umfaßt, der sich über den gesamten Bewegungsbereich, des Ankers nahe an der Seite des und im wesentlichen parallel zu dem Anker erstreckt.

7. Umwandler nach eirrem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis"6, gekennzeichnet durch einen mit dem Anker in Wirkverbindung stehenden, in Längsrichtung bewegbaren Eingangsleistungs-Zuführungsteil (27).

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8. Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung an der den erstgenannten Polen gegenüberliegenden Seite des Ankers und in Längsrichtung im Abstand zu diesen angeordnete magnetische Hilfspole (70,71) aufweist.

9. Umwandler nach einem der"Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (2 3) zum einstellbaren Verlagern der Pole in Längsrichtung.

10. Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine sich in Längsrichtung erstreckende, den Anker tragende Welle (27) und eine die Welle zur Längsbewegung abstützende Federanordnung (48,49), die die magnetischen Anziehungskräfte an den beiden äußeren Enden der Bahn der Welle ausgleicht,

.11. Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein die Pole, den Anker und die Federanordnung einschließendes Gehäuse (2-2), wobei die Welle einen zugeführte Bewegungsleistung aufnehmenden, vom Äußeren des Gehäuses her zugänglichen Endbereich aufweist und die Federanordnung vom Gehäuse abgestützt ist.

12. Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsbereich weniger als etwa 2,5 beträgt.

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13. Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung an der den ersten B±en (83a,83b) gegenüberliegenden Seite des Ankers dritte und vierte magnetische Pole mit zu den Polaritäten der ersten Pole umgekehrten, entgegengesetzten Polaritäten aufweist.

Ik. Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Gehäuses im wesentlichen mit Flüssigkeit ausgefüllt ist.

15. Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis lh, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (11,12) entgegengesetzter Polarität im wesentlichen in seitlicher Richtung im Abstand zueinander angeordnet sind.

16. Umwandler nach einem der Ansprüche 1 bis l4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole entgegengesetzter Polarität (83a, 83b) im wesentlichen in Längsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind.

17. Umwandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole auf dnem :Rohrteil (80) mit sich in Längsrichtung erstreckender Achse angeordnet sind.

18. Umwandler nach Anspruch 16 oder 17; dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung einen sich im wesentlichen in Längsrichtung erstreckenden Fluß-Kurzschlußbügel (86) umfaßt,

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wobei sich der Anker gleichfalls in allgemeiner Längsrichtung erstreckt.

19. Umwandler nach Anspruch l8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß-Kurzschlußbügel (86) rohrförmig ausgebildet ist und zumindest Bereiche von Anker und rohrförmigen! Teil aufnimmt,

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