DE2934085A1

DE2934085A1 - Tachogenerator

Info

Publication number: DE2934085A1
Application number: DE19792934085
Authority: DE
Inventors: Fritz 7746 Hornberg Schmider
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1979-08-23
Filing date: 1979-08-23
Publication date: 1981-03-26
Also published as: DE2934085C2; US4366405A

Description

Γ_Ε" S^ o-:^4äpt: /PATENTAr-JWALl" [V*^w£tiis*?S^™J£r* ' DIPL-ING. HANS RAIBLF

tr

J STUTTGδ'--ίr ο- 21.8,1979

^awa:sa>O! P61.32D 1-lö/üch

PAPST-MOSORfilf KG
774-2 St. Georgen

Tacho generator
Zuaata zu P 2b 33 1>J7.7 (D 72 « DT-100)

Die vocliagemle Erfindung betrifft einen Tachogenerator nach do:n Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Tachogenerator ist bekannt aus der zugehörigen Hauptanmeldung P 25 33 187.7, auf deren voller. Inhalt zur Verkleidung unnötiger Längen ausdrücklich Bezug genommen wird, ebenso ajf den Inhalt der japanischen OS Nr. 31 306/1977, welche im Vergleich zur Hauptanraeldung noch einige zusätzliche Merkmale zeigt, welche zum Teil bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls anwendbar sind,

^s ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Tachogenerator nach der Hauptanmeldung in ökonomischer Weise weiter zu verbessern in Richtung auf ein noch besseres Verhältnis zwischen iiutz- und Störsignal.

Erreicht wird dies nach der vorliegenden Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der

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Frfindung au verstehenden Auaführungsbeispiel, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen nur schematisch angedeuteten Motor mit flachem Luftspalt, permanentmagnetischera Rotor und stehendem Rückschluß, sowie durch einen an der Unterseite dieses Motors angeordneten erfindungsgemäßen Tachogenerator,

B¹Ig. 2 einen Schnitt, gesehen längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 ein schematisches Schaubild zur Erläuterung der Erfindung, und

Fig. 4 Diagramme, ebenfalls zur Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch angedeutet, und etwa im Vergrößerunganaßstab 2:1, einen kollektorlosen Gleichstrommotor 10 mit einem ρ ernianen tmagne ti schäm Rotor 11, einer in einer Statorbuchse 12 drehbar gelagerten Welle 13, die unten auf einem Axial- oder Spurlager 14 abgestützt ist, sowie zwei nur ganz schematisch angedeuteten eisenlosen Statorapulen 15, 16, die In geeigneter Weise auf einer Rückschlußplatte 17 aus Weicheisen oder dergleichen befestigt sind und im Betrieb von impuleförmigen Strömen durchflossen werden und daher ein alternierendes Stremfeld erzeugen.

An der Unterseite der RückschluSplatte 17 befindet sich ein erfindungsgemäßer Tachogenerator 20, welcher hier Busätzlich die Funktion hat, das Axiallager 14 für die Rotorwelle 13 zu halten. (Das Axiallager 14 muß bei einem solchen Motor recht hohe Kräfte aushalten, da der Magnet des Rotors 11 mit einer Kraft von einigen kp in Richtung gegen die Rückschlußplatte 17 gezogen wird.) Zur Halterung des Lagers 14 dient ein mit radialen Verstärkungsrippen 19 versehenes schalenförmlges Teil 21 aus einem weichferromagnetischem Material, z. B. Stahl, das an seinem flanschartigen Rand 22 über Schrauben 23 (von denen nur eine dargestellt ist) an der Unterseite der Ruckschlußplatte 17 befestigt ist und als stationäres Rückschlußteil dleat.

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Das Teil 21 umgibt mit sehr geringem radialem Abstand (Luftspalt 85) ein Formstück 24, das ebenfalls aus weichferromagnetisehem Werkstoff hergestellt ist, ebenfalls an der Rückschlußplatte 17 befestigt ist, z. B. durch Kleben, Schrauben, Nieten oder Schweißen, und das ebenfalls als stationäres Rückschlußteil dient. Es hat einen nach unten ragenden Rand 25, in dessen Innenseite ein dünner Magnetring 32 eingeklebt ist, der aus einem elastomeren Werkstoff mit eingelagerten hartferritischen Partikeln besteht. Der Rand 25 geht radial nach innen über in einen flachen Abschnitt 26, der wie gesagt an der Rückschlußplatte 17 befestigt ist, und der Abschnitt 26 hat auf seiner radialen Innenseite einen heruntergesogenen Abschnitt 27, der ebenfalls im wesentlichen flach ist und der um die Welle 13 herum mit einer Ausnehmung 28 versehen ist. Der Abschnitt 27 bildet also eine zentrale Vorwölbung des Formstücke 24·.

Im Bereich des Übergangs vom flachen Abschnitt 26 zum Rand 25 ist eine erste Wicklungsanordnung 29 in Form einer auf ein Kunststoff-Formstück 30 aufgewickelten Spule 31 vorgesehen. Das Formstück ist mit zwei Lotösen 33 versehen, von denen in Fig. 1 nur eine dargestellt ist und die zum Anschluß der Drahtenden der Spule 31 und zweier Anschlußkabel 34, 35 dienen.

Unterhalb des Formstücks 24 ist auf der Welle 13 eine gezahnte Scheibe 37 aus einem weichferronagnetischen Werkstoff befestigt. Wie Fig. 2 zeigt, ist die Scheibe 37 an ihrem Außenumfang durch Feinstanzen oder dergleichen mit einer größeren Zahl (z. B. 200) von feinen Zähnen 33 versehen, und entsprechend ist wie dargestellt der Magnetring 32 alternierend mit einer der Zahl der Zähne 38 entsprechendea Zahl von Polpaaren magnetisiert, a. B. bei 200 Zähnen 38 200 Nordpolen und jeweils zwischen diesen 200 Südpolen, vgl. Fig. 2, Den Zähnen 38 stehen also abwechselnd nur Nordpole (vgl. Fig. 2) oder nur Südpole gegenüber, und entsprechend kehrt sich bei einer vollständigen Umdrehung der Welle 13 der Fluß durch die Zähne 38 400mal um.

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Die Zahnscheibe 37 kann, wie in Fig. 10 oder 1OA der JA-OS 31 306/77 dargestellt, auch aus zwei identischen Stanzte!- lon zusammengesetzt sein, die um 180° gegeneinander verdreht zusammengenietet sind, um Teilungsfehler der Zahnung weiter zu reduzieren, doch hat es sich gezeigt, daß diese Maßnahme in den meisten Fällen entbehrlich ist.

Zur Befestigung der Zahngeheibe 37 auf der Welle 13 dienen zwei Sprengringe 39, 40, die in entsprechenden Ringnuten der Welle 13 befestigt sind und die Zahnscheibe 37 zwischen sich aufnehmen. Zwei Tellerfeuern 4-4 sind zwischen dem unteren Sprengring 40 und der Zahnscheibe 37 eingespannt und pressen letztere mit Reibungsschlufi gegen den Sprengring 39» so daß sie von diesem mitgenommen wird. Dabei liegt die Zahnscheibe 37 wie dargestellt etwa in der Mittelebene des Magnetrings 32. Kleine axiale Verschiebungen der Zahnscheibe 37 nach oben oder unten haben ersichtlich keinen Einfluß auf die Arbeitsweise des Tachogenerators 20, da der Magnetring 32 ausreichend lang ausgebildet ist.

Unterhalb der Zahnscheibe 37 iat auf dem schalenförmigen Teil 21 eine zweite Wicklungsanordnung 48 befestigt, die mit der ersten Wicklungsanordnung 29 im äußeren Aufbau identisch ist, d. h. auch hier ist der Spulenkörper als Kunststoff-Formstück 49 ausgebildet, auf dem eine Spule 50 mit einem Wicklungesinn aufgewickelt ist, der zur ersten Spule 31 gegensinnig ist, vgl. hierzu die übliche Darstellung des Wicklungssinns in Fig. 3 mittels Punkt und Kreuz. Auch hier ist das Formstück 49 mit zwei Lötösen 52, 53 versehen, die zum Anschluß der Drahtenden der Spule 50 und zweier Anschlußkabel 54_f 55 dienen. Wie dargestellt, sind die beiden Wicklungsanordnungen 29 und 48 im wesentlichen identisch, liegen etwa symmetrisch zur Zahnscheibe 37 und haben auch weitgehend identische magnetische Kreise, wie das später noch ausführlicher beschrieben wird, sowie etwa dieselben Windungszahlen. (Das optimale Verhältnis der Windungszahlea kann etwas von 1 j 1 abweichen und kann nur durch Versuche ermittelt werden.)

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-S-

Bei der Herstellung wird die aus den Bauteilen 12, 17 und 24 bestehende Baugruppe auf einen Dorn aufgesteckt, der satt in die Statorbuchse 12 paßt, und der Magnetring 32 wird auf seiner Innenseite so überdreht, daß er genau zentrisch zur WeLIe 13 ist. Anschließend wird er in der angegebenen Weise magnetisiert, und die erste Wicklungsanordnung 29 wird durch Einkleben im Formstück 24 befestigt. Dann wird die Welle 13 eingeführt, und auf dieser wird die Zahnscheibe 37 montiert. Anschließend wird das schalenförmige Teil 21 mit der darin befestigten sweiten Wicklungsanordnung 48 mittels der Schrauben 23 an der Rückschlußplatte 17 befestigt, wodurch gleichzeitig die Welle 13 axial gelagert wird. Zur Demontage geht man in analoger Wei3e umgekehrt vor.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird auf die Fig. 3 und A Bezug genommen. Diese zeigt 3chemati3Ch die Welle 13, axe Zahnscheibe 37 und den magnetischen Kreio mit dem eingeklebten Magnetring 32.

Der magnetische Kreis ist hier zur Vereinfachung symmetrisch dargestellt, d. h« er hat einen Äußenrand 60, der oben und unten jeweils in einen flachen Abschnitt 61 bzw, 62 übergeht. Diese Abschnitte gehen über konische Abschnitte 63 bzw. 64 über in flache Abschnitte 65 baw. 66,die nur durch enge Luftspalte 67 bzw. 68 von der Zahnscheibe 37 getrennt 3ind, welche ihrerseits duroh einen radialen Luftspalt 69 vom Kagnetring 32 getrennt i3t.

Bei Tig. 3 liegt allen Zähnen der Zahnscheibe 37 - genau wie bei Fig. 2 - Jeweils ein Nordpol gegenüber, so daß von diesem aus über den radialen Luftspalt 69 ein Magnetfluß 70 in die Zahnscheibe 37 geht. Dieser Magnetfluß teilt sich auf: Seine eine Hälfte fließt nach oben über den Luftspalt 67, die Abschnitte 63 und 61 und den Rand, 60 zurück zum Magnetring 32 und umschlingt dabei die ernte Wicklungsanordnung 29 im Uhrzeigersinn. Seine andere Hälfte fließt über den Luftspalt 68, die Abschnitte 64 und 62 und den Rand 60 eurück zum Magnetring 32 und umschlingt dabei äie aweite Wicklungsanordnung 48 entgegen dem Uhrzeigersinn.

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Da sich dieser Magnetfluß "bei einer Drehung der Zahnscheibe 37 (Pfeil 73 in Fig. 3) ständig ändert, induziert er in den beiden identischen Wicklungsanordnungen 29 und 48 identische Spannungen, die aber - wegen der unterschiedlichen Umschlingung - entgegengesetzt zueinander sind. Da jedoch die Wicklungsanordnungen ebenfalls entgegengesetzt gewickelt sind, entstehen an beiden Wicklungsanordnungen praktisch dieselben Spannungen, und wenn man die beiden Wicklungsanordnungen in Serie schaltet, also in Fiς. 3 den Schalter 74 schließt, so erhält man dort zwischen den Klemmen 34 und 55 eine Gesamtspannung, die doppelt so groß ist wie die Einzelspannungen an den Wicklungsanordnungen 29 und. 48.

Fi/r. ι κcigt ferner auch einen alternierenden Streufluß B ,

der im Betrieb z. B. von den Statorspulen 15 und 16 oder von einem - nicht dargestellten - Netztrafo erzeugt wird und der Störspannungen in den Wicklungsanordnungen 29 und 48 induziert, was äußerst unerwünscht ist, weil es den Drehzahlregler und damit den Gleichlauf ungünstig beeinflussen kann.

Beim erfindungsgemäßen Tachogenerator haben aber diese Störspannungen praktisch keine Wirkung, denn wie dargestellt sind die Wicklungsanordnungen 29 und 48 entgegengesetzt gewickelt, so daß in ihnen durch den Streufluß B entgegengesetzte Störspannungen induziert werden, die sich bei der Serienschaltung oder sonstigen Überlagerung gegenseitig im wesentlichen aufheben.

Dies zeigt Fig. 4. Das Diagramm A zeigt dort die Spannung, die im Betrieb zwischen den Klemmen 34 und 35 der ersten Wicklungsanordnung 29 induziert wird und die hier eine Sinusspannung 78 ist, der Spannungshöcker 75, 76 und 77 infolge der alternierenden Streuflüsse B_B (Pig. 3) überlagert sind.

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Fig. 4B zeigt die Spannung zwischen den Klemmen 54 und 55 der zweiten Wicklungsanordnung 48, die eine mit der Sinusspannung identische Sinusspannung 79 ist, der infolge der alternierenden Streufliisse B Spannungseinsattelungen 75¹, 76· und 77' überla-

gert sind, welche - wegen des entgegengesetzten Wicklung^3innn der beiden Wicklungsanordnungen 29 und 48 - hier entgegengesetzte Polarität relativ zu den Höckern 75» 76 und 77 haben, aber mit ihnen die gleiche Phasenlage haben.

Schließt man in Pig. 3 den Schalter 74, so erhält man zwischen den Klemmen 34 und 55 die in Fig. 4G dargestellte Sinusspannung 80, welche die doppelte Amplitude der Sinusspannungen 78 und hat und bei der sich die Hocker 75 bis 77 und die Einsattelungen 75' bis 77' praktisch gegenseitig aufgehoben haben.

In Vergleich zur Anordnung nach dem Hauptpatent hat sich hier das Verhältnis von Nutzspannung (Sinusspannung 80 in Fig. 40) su Störspannung (restliche Storspannungen in Pig. 4C) also praktisch verdoppelt, und dies ohne zusätzlichen Mehraufwand.

Bei besonders hohen Anforderungen an die Störfreiheit der Ausgangsspannung kann man eine elektronische Überlagerungsschaltung 83 nach Fig. 3 verwenden, der die Ausgangsspannungen der beiden Wicklungsaiiordnungen 29 und 48 getrennt zugeführt und dort bewertet überlagert werden. Die Bewertung wird empirisch so durchgeführt, daß sich für das betreffende Gerät, z. B. ein Tonbandgerät oder einen Plattenspieler, die optimale Form der Ausgangsspannung an den Klemmen 84 ergibt. - In der Praxis genügt meist die reine Serienschaltung der beiden Wicklungsanordnungen 29 und 48, wobei dann das Signal zwischen den Klemmen 34 und 55 dem Drehzahlregler zugeführt wird, welcher identisch ausgebildet ist wie der Drehzahlregler nach Fig. 9 der Hauptanmeldung, auf die zur Vermeidung "von Längen auch in diesem Punkte ausdrücklich Bezug genommen wird.

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ΛΙ

An Pig. 3 erkennt man ohne weiteres, daß sich genau derselbe Effekt ergeben würde, wenn man zwei separate, zueinander etwa spiegelsymmetrische Tachogeneratoren verwenden würde, welche gemeinsam angetrieben werden. Zum Beispiel könnte man den Tachogenerator nach Fig. 3 entlang seiner Mittelebene, also der Linie V, zersägen und die beiden Hälften gleich antreiben. Wenn die beiden Hälften mit einem nicht zu großen Abstand voneinander angeordnet würden, würde sich derselbe Effekt ergeben, wobei lediglich die Nutzspannung - wegen der etwas Nut ζ induktion - etwas kleiner wäre.

Bei der Anordnung nach Pig. 1 ist noch darauf hinzuweisen, daß der erst" magnetische Kreis vom Magnetring 32 über den radialen Luftspalt 69, die Zahnscheibe 37, den axialen Luftspalt 67, die Abschnitte 27 und 26 und den Rand 25 des Formstücke 24 zurück zum Magnetring 32 führt und die erste Wicklungsanordnung 29 umschlingt.

Der zweite magnetische Kreis führt vom Magnetring 32 über den radialen Luftspalt 69, die Zahnscheibe 37, den Luftspalt 68, das schalenform.ge Teil 21 (insbesondere dessen Rippen 19) und den Luftspalt 85 zwischen dessen zur Drehachse parallelem Teil und dem Rand 25 sowie letzteren zurück zum Magnetring 32. Der Luftspalt 85 sollte naturgemäß klein sein.

AIo Quelle magnetischen Potentials könnte statt des Magnetringa 32 auch ein Elektromagnet verwendet werden, doch wird die Lösung mit Dauermagnet bevorzugt.

Es soll also zusammenfassend nochmals hervorgehoben werden, daß bei einer erfindungsgemäßen Tachogeneratoranordnung zwei benachbarte, ähnliche Wicklungsanordnungen entgegengesetzten Wicklungssinns mit einem synchronen, aber gegenphasigen Nutzfluß erregt werden, wobei nur eine solche gegenphasige Erregung ein Nutzsignal erzeugt, so daß die gleichphasige Erregung beider Wicklungsanordnungen durch Streufelder praktisch keine Ausgangsspannung erzeugen kann.

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TUTT.iακ·r f-c-N 21.0.1979

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PAPST-MOTOREN KG
2 St. Georgen

Ansprüche

. Tachogenerator mit einer von einem ersten magnetischen Ki-ei.s umschlungenen ersten Wicklungsanordnung, welcher magnetische Krei3 einen Rotor aufweist, bei dessen Drehung erste Nutc;-flußänderungen in dem ersten magnetischen Kreis erzeugt werden, welche eine Wechselspannung drehzahlabhängiger Frequenz in der ersten Wicklungsanordnung induzieren, ferner mit einer zweiten Wicklungsanordnung zur Kompensation von den Tachogenerator durchdringenden, alternierenden magnetischen Streuflüssen, deren Ausgangsspannung der Ausgangsspannung der ersten Wicklungsanordnung überlagert wird, nach Patentanmeldung P 25 33 187.7,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklungsanordnung (48) in einem zweiten magnetischen Kreis (85, 21) angeordnet ist, in dem bei Drehung zweite Nutzflußänderungen erzeugt werden, welche mit den ersten Nutzflußänderungen synchron, aber etwa gegenphasig zu diesen 3ind.

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2. Tachogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide magnetischen Kreise eine gemeinsame Quelle magnetischen Potentials, z. B. einen Elektro- oder einen Dauermagneten (32), aufweisen.

3. Tachogenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle magnetischen Potentials ein alternierend magnetisierter Dauermagnetring (32) vorgesehen ist, dem ein mit der Polteilung dieses Ringe (32) gezahntes Element (37) zugeordnet ist, wobei zwischen dem Element (37) und dem Dauermagnetring (32) im Betrieb eine Relativbewegung stattfindet, und daß ein Teil des von diesem Dauermagnetring (32) erzeugten magnetischen Nutzflusees (70) im einen Sinn um die erste Wicklungsanordnung (29) und ein anderer Teil dieses Nutzflusses (70) im entgegengesetzten Sinne um die zweite Wicklungsanordnung (48) herumgeführt ist.

4. Tachogenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnetring (32) als feststehender, auf seiner Innenseite magnetisierter Ring ausgebildet ist, welcher auf der radialen Innenseite des Randes (25) eines ersten stationären Rück/lußteiles (24) angeordnet ist, daß das gezahnte Element (37) als an seinem Außenumfaag mit einer Zahnung (38) versehenes, drehend antreibbares Teil ausgebildet ist, welches zusammen mit eine» sich radial naoh innen erstrekkenden Abschnitt (27) des ersten stationären Rtickschlußteiles (24) einen ersten magnetischen Kreis bildet, der die erste Wicklungsanordnung (29) umschlingt,

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und daß auf der vom ersten stationären Rückschlußteil (24) angewandten Seite des gezahnten Elements (37) ein .",v/eitos stationäres Rückschlußteil (21) angeordnet ist, welches mit dem gesahnten Element (37) einen zweiten magnetischen Kreia bildet, der die zweite Wicklungsanordnung (48) umschlingt,

5. Tachogenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und vorzugsweise auch das zweite Rückschlußteil (24, 21) an einem radial innerhalb des Dauermagneten (32) gelegenen Abschnitt durch einen Abschnitt kleinen Luftspalt s (67, 68) vom gezahnten Element (37) getrennt ist bzw. sind.

G. Tachogenerator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite stationäre Rückschlußteil (21) den Rand (25) des ersten stationären Rückschlußteils (24) übergreift.

7. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite stationäre Rückschlußteil (21) eine Lageranordnung, insbesondere ein Axiallager (14), trägx.

8. Tachogenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite stationäre Rückschlußteil (21) als Lagerdeckel und Lagerträger für das Axiallager (14) eines Motors (10) mit flachem Luftspalt ausgebildet ist, zur Messung von dessen Drehzahl der Tachogenerator (20) dient.

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⁽J. Tachogenerator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungsanordnungen (29, 48) zum Erfassen von im wesentlichen demselben alternierenden magnetischen Streufluß (B ) im wesent-

liehen identisch ausgebildet sind.

10. Tachogenerator nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungsanordnungen (29» 48) Spulen (31, 50) entgegengesetzten Wicklungssinns aufweisen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind.

11. Kollektorloser Gleichstrommmotor, enthaltend einen Tachogenerator (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß er als Flachmotor (10) ausgebildet i3t.

13. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß er eine itatlonäre Rückschlußplatte (17) aufweist, an welcher der tachogenerator (20) befestigt ist.

14. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Tachogenerator (20) an einem seiner magnetischen Rückechlußteile (21) ein Axiallager (14) des Motors (10) trägt.

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