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Magnetlager Die Erfindung betrifft ein Magnetlagers enthaltend einen
Rotor und je eine in radialer und axialer Richtungwirkende de Lagereinrichtung,
wobei wenigstens eine der Lagereinrichtungen destabilisierende Komponenten in um
1800 verschiedene Richtungen aufweist und wenigstens eine auf Bewegungen in diese
Richtungen ansprechenden Geschwindigkeitssensor, eine daran angeschaltete Regeleinrichtung
sowie wenigstens einen von dieser Regeleinrichtung angesteuerten Elektromagneten
zur Erzeugung von Rotorbewegungen enthält wobei die Regeleinrichtung derart aufgebaut
ists daß in der Sollage des Rotors der Strom für den wenigstens einen Elektromagneten
wenigstens näherungsweise Null ist.
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Ein solches Magnetlager ist aus der US-PS 3 791 704 bekannt0 Bei diesem
Lager ist ein Rotor mit permanentmagnetischen Stirnflächen zwischen zwei den Stirnflächen
gegenüberliegenden Permanentmagneten gelagert, welche auf die Permanentinagnete
des Rotors jeweils eine anziehende Kraftwirkung ausüben.
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Durch geeignete Ausbildung dieser Magnete wird eineStabilisiebung
in radialer Richtung erreichte in axialer Richtung ist-die Lagerung destabil, wobei
in einer bestImmten Rotor lage ein indifferentes Gleichgewicht bestehtAufgabe einer
mittels Elektromagneten aufgebauten Regelung ist es, den Rotor in dieser Lage zu
halten. Dies wird dadurch erreichte
daß diese Elektromagnete auf
den Rotor axial gerichtete Kräfte ausüben, welche mittels einem die Axialgeschwindigkeit
des Rotors sensierendes Element und einer Regeleinrichtung variiert werden können.
Um den Ansteuerstrom der Elektromagnete möglichst gering zu halten bzw0 um zu erreichen,
daß im geregelten Zustand nahezu kein Strom fließt, sind zwei weitere Permanentmagnete
vorgesehen, mit welchen der Rotor in axialer Richtung mit Kräften beaufschlagt wird,
die äußere Kräfte, z.B. statische Belastungen des Rotors oder auch die Schwerkraft
des Rotors selbst kompensieren. Diese Permanentmagnete werden mittels eines Motors
und der Regelschaltung in axialer Richtung je nach äußerer Belastung verschoben,
so daß die Elektromagnete trotz unterschiedlicher Rotorbelastung nur in einem kleinen
Bereich um den indifferenten Gleichgewichtspunkt wirksam sind bzw. Kräfte ausüben.
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Es ist ersichtlich, daß ein großer Aufwand nötig ist, um die unter
dem Begriff "Zero-power" bekannte Regelung zu verwirklichen. Ein weiterer Nachteil
dieser Antrinung ist die relativ große Trägheit des Regelmotors, welcher die zusätzlichen
Permanentmagnete entsprechend den äußeren Belastungen einstellt. Dynamische Belastungen
können hiermit nicht kompensiert werden und führen somit zti einer Erhöhung des
Ansteuerstromes der Elektromagnete.
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Weiterhin ist aus der DE-OS 28 18 255 eine Magnetlagerung bekannt,
bei welcher die Sollposition des Rotors mittels eines Positionssensors erfaßt wird
und eine Regeleinrichtung in Verbindung mit Elektromagneten den Rotor in die Nullage
einregelt. Diese Art der Regelung erfordert jedoch eine hohe Sensorgenauigkeit una
bewirkt bei äußeren Belastungen einen Regelstrom, welcher entsprechend dieser Belastung
eine gegengerichtete, elektromagnetische Kraft erzeugt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, mit möglichst gc-'ug.
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teln eine Magnetlagerung zu schaffen, welse auch t;i wecnselnder,
äußerer Belastung sich so einstellt C ,elstrom der Elektromagnete nahezu Null ist
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Regeleinrichtung einen PD-Regler mit
positiver Rückkopplung enthält, m.
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dessen Eingang der Geschwindigkeitssensor verbunden ist. In vorteilhafter
Weise besitzt der PD-Regler eineii hohen Velstärkungsfaktor, wodurch kurze Regelzeiten
bzw eine geringe Einschwingdauer erreicht wird.
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Der Geschwindigkeitssensor kann aus einer auf einem fest--stehenden
Teil angeordneten einfachen Spule bestehen, in welcher z.B. in Art eines Tauchspulensystems
mittels auf dem Rotor angeordneten Magneten eine Spannung proportional der Relativgeschwindigkeit
zwischen Rotor und dem feststehenden Teil induziert wird. Diese Spule besitzt einen
hohen ohmschen Widerstand und eine große Induktivität, wodurch in Verbindung mit
dem Netzwerk des PD-Reglers auch ein integraler Regelanteil bzw. eine PID-Regelung
bewirkt wird Eine vortellhafte Weiterbildung der Erfindung besteht aarin, daß zur
Einleitung des Schwebevorgangs eine Einrastautomatik vorhanden ist, welche das Ausgangssignal
des PD-Reglers wechselweise umschaltet und zwar so lange, bis das Ausgangssignal
ein Einschwingen des Rotors in die Sollage bewirkt d.h. der Rotor den Schwebezustand
erreicht hat Diese Einrastautomatik kann dadurch aktiviert werden, daß der durch
die Elektromagneten fließende Strom sensiert wird und lediglich nach Überschreiten
einer vorgegebenen Schwelle für eine gegebene Zeit das Auslösesignal bewirkt Diese
Schwelle wird vorteilhafterweise mittels eines Fensterdiskriminators oder eines
Schwellwertschalters hergestellt Zur Vermeidung von Fehlsignalen ist in günstiger
Weise eine mono-
stabile Kippstufe bzw. ein Zeitglied so angeordnet,
daß der Strom erst eine hiermit voreingestellte Zeit die Schwelle überschreiten
muß, um das Auslösesignal für die Umschaltung des PD-Reglers zu bewirken.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist in die Signalleitung zwischen
PD-Regler und Verstärkeranordnung ein Schalter z.B. in der Art eines Relais oder
eines Handschalters eingefügt, mit welchem während dem Umschalten des PD-Reglers
oder zum Stillsetzen des Rotors diese Signalleitung unterbrochen wird.
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In besonders einfacher Weise ist ein Abgleich des Ausgangssignals
des Reglers auf 0 V im Schwebezustand des Rotors dadurch möglich, daß ein Trirniapotentiometer
vorgesehen ist, mit welchem ein Abstimmen der gesamten Regeleinrichtung mög-.
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lich ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 - eine Magnetlageranordnungmit Blockschaltbild des
Magnetlagerregelkreises, Fig. 2 - ein Schaltbild von Regler und Stromendstufe Fig.
3 - ein Blockschaltbild der Einrastautomatik Die Prinzipdarstellung des Magnetlagers
zeigt in Fig. 1 einen langgestreckten Rotor 1, welcher innerhalb eines Stators 2
um eine Achse drehbar angeordnet ist. An beiden Rotorenden sind die einander im
wesentlichen twntsprechenden magnetischen Lageranordnungen vorgesehen, enthaltend
auf dem Rotor 1 angeordnete Permanentmagnetringe 4 - 7. Die Permanentmagnetringe
4 - 7, welche gegebenenfalls auch als Scheiben ausgebildet sind, sind jeweils in
Richtung der Achse 3
magnetisiert, wobei die jeweils nebeneinanc@@
li@@@rie@ @@@-ge die entgegengesetzte Magnetisierungsrichtung aufwei@@@, wie es
durch die Pfeile angedeutet ist. Auf dem siiator 2 sind Permanentmagnetringe 8 -
ii vorgesehen, welche ebensc wie die Ringe des Rotors 1 in axialer Richtung magnetisiert
sind, wobei ein axialer ringförmiger Luftspalt 13 vorhanden ist.
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In der dargestellten Sollposition des Rotors 1 befinden sich die schmäleren
Permanentmagnerringe 8 - 11 jeweils in der gleichen Radialebene wie die zugehörigen
Permanentmagnetringe 4 - 7, wobei jeweils die Mitten zueinander fluchten. Aufgrund
der angegebenen Magnetisierung verlaufen die magnetiaschen Feldlinien im Luftspalt
13 im Bereich der Berührungsflächen der Permanentmagnetringe 4 - 7 im wesentlichen
in radialer Richtung. Da auch die Permanentmagnetringe 8 - 11 in gleicher Weise
magnetisiert sind, wird der Rotor 1 durch die abstoßenden Magnetkräfte in radialer
Richtung passiv stabilisiert. Es ist ersichtlich, daß in axialer Richtung destabilisierende
Kräfte auf den Rotor 1 wirksam werden wenn der Rotor von der Sollposition abweicht.
Es sind daher auf dem Stator 2 neben bzw. zwischen den Permanentmagnetringen 8 -
11 elektrische Ringwicklungen 14 - 18 volgesehens welche über eine weiter unten
näher beschriebene Regeleinrichtung angesteuert werden.
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Die Ringwicklungen 14 - 18 sind bevorzugt in U-förmigen Ringen 24
- 28 aus Weicheisen angeordnet, welche zum Luftspalt 13 bzw. zum Rotor 1 geöffnet
sind. Somit werden in vorteilhafter Weise die magnetischen Flüsse der Permanentmagnetringe
bzw der Ringwicklungen gefuhrt bzw. die magnetischen Widerstände der magnetischen
Kreise verringert.
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Wie oben bereits angegeben, ist am anderen Rotorende eine entsprechende
Lageranordnung vorgesehen0 In der Mitte ist ein elektrischer Antriebsmotor 30 vorgesehen,
enthaltend auf dem
Rotorumfang eine Anzahl radial magnetisierter
Permanentmagnete 31 mit in Umfangsrichtung wechselnden Polaritäten. Auf dem Stator
2 ist eine mehrphasige Antriebswicklung 32 vorgesehen, welche in einen eisenfreien
Statorkörper 33 eingelegt ist. Ein solcher eisenloser Antriebsmotor 30 ist in Verbindung
mit der beschriebenen magnetischen Lageranordnung von besonderem Vorteil, da außer
dem erforderlichen Antriebsdrehmoment praktisch keine weiteren Kräfte auf den Rotor
einwirken, welche anderenfalls auch noch von der magnetischen Lageranordnung aufgenommen
werden müßten.
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Damit der Rotor 1, insbesondere in axialer Richtung nicht zu weit
aus der Sollposition ausgelenkt werden kann, weist der Rotor an den Enden einen
Flansch 36 und eine abnehmbare Scheibe 37 auf0 Diesen sind auf dem Stator 2 unter
Bildung von kleinen Ringspalten 38, 39 zugeordnet, so daß durch die derart ausgebildeten
Anschläge die Bewegungen des Rotors 1 begrenzt werden.
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Anstelle des Flansches 36 wird in einer bevorzugten Ausführungsform
der Spinnrotor einer Openend-Spinnmaschine vorgesehen. Für die Ringe 38S 39 ist
ein Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften, wie z.B. Teflon vorgesehen, sc dan eine
zuverlässige Notlagerung des Rotors 1 geschaffen ist und Beschädigungen selbst dann
vermieden werden, wenn infolge von Störungen oder bei der Inbetriebnahme in den
Wicklungen 14 - 18 kein Strom fließt. Derartige Anschläge können gegebenenfalls
auch nur an einem Rotorende vorgesehen werden, wobei durch entsprechende Ausbildung
Rotorbewegungen in beiden Richtungen begrenzt werden.
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Die Lageranordnung an dem-rechten Rotorenle der Zeichnung entspricht
im wesentlichen der oben ausführlich beschriebenen, so daß nachfolgend nur die Unterschiede
erläutert werden. Die beiden äußeren Permanentmagnetringe 40, 41 sind in axialer
Richtung stärker ausgefuhrt und zwar derart, daß die äußeren
Stirnflächen
42, 43 jeweils in der gleichen Radialebene iegen wie die der zugeordneten Permanentmagnetringe
des Rotors 1. Auf diese Weise wird das Magnetvolumen erhäht und ein günstiger Feldverlauf
in dem genannten Bereich erhalten Das anhand der Zeichnung erläuterte Ausführungsbeispiel
enthält zwei magnetische Lageranordnungen an den beiden BAden eines langgestreckten
Rotors, wobei jeweils ein radialer5 ringförmiger Luftspalt vorhanden ist0 Es ist
hervorgehobens daß die Erfindung nicht auf eine derartige Anordnung beschränkt ist,
sondern daß bei einem entsprechend ausgebildeten Rotor auch eine einzige derartige
Lageranordnung vorgesehen sein kann. Ferner betrifft die Erfindung Anordnungen mit
jeweils nur einem Permanentmagneten auf dem Stator bzw Rotor Entscheidend ist aber,
daß zusätzlich noch wenigstens eine elektrische Wickliing, insbesondere auf dem
Stator vorgesehen isty um zusammen mit dem anderen Permanentmagneten eine im wesentlichen
in axialer Richtung wirkende und regelbare Eraftkomponente auf den Rotor zu erzeugen.
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Zur Regelung der axialen Lage des Rotors in die Sollage ist ein Geschwindigkeitssensor
44 in geeigneter Weise an den Flansch 36 befestigt. Das Signal dieses Sensors gelangt
in einen Regler 45, welcher ein entsprechendes Ausgangssignal abgibt. Dieses wird
über einen Schalter 46 einer Verstärkerstufe 47 zugeführt, welche einen dem Signal
entsprechenden Steuerstrom den Ringwicklungen 14 - 18 zuführt Der Regler 45 ist
ein PD-Regler mit positiver Rückkopplung0 Bei Inbetriebnahme der Magnetlageranordnung
kippt die Ausgangsspannung des Reglers 45 in eine willkürliche Maximal-Lage, da
zu diesem Zeitpunkt noh- kein Signal von Sensor 44 anliegt Mittels des Verstärkers
47 wird ein der Ausgangs spannung proportionaler Strom erzeugt, d.h. der Strom ist
ebenfalls ein Maximalstrom mit negativer oder positiver Richtung0 Da der Rotor 1
ebenfalls in einer willkürlichen und vom Sensor 44 nicht
erfaßbaren
Endlage liegt, kann der Strom u.U. keine Bewegung des Rotors in Richtung der Sollage
bewirken, sondern im Gegenteil die Kraft der Permanentmagnete in die Rotorendlage
verstärker. Aus diesem Grunde ist eine Einrastautomatik 48 vorgesehen, welche den
Steuerstrom sensiert und, wenn der Strom eine bestimmte Schwelle eine vorgegebene
Zeit überschreitet, - welches dann der Fall ist, wenn der in eine bestimmte Richtung
fließende Strom keine Lageverschiebung des Rotors bewirkt - einen Setzimpuls an
den Regler 4.5 abgibt, welcher eine Vorzeichenumkehr des Ausgangssignals bewirkt.
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Während diesem Vorgang wird mittels eines weiteren Ausgangssignals
der Einrastautomatik ein Schalter 46 betätigt, der die Signalleitung zwischen Regler
und Verstärker während der Umschaltzeit unterbricht.
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In Fig. 2 ist der Schaltungsaufbau von Regler und Verstärker dargestellt.
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Der Geschwindigkeitssensor 44a, welcher aus einer Spule besteht, in
die eine der Pxialgeschwindigkeit des Rotors 1 proportionale Spannung induziert
wird, ist über den Widerstand 49 mit dem invertierenden Eingang 58 eines Operationsverstärkers
57 verbunden, Ein Netzwerk, bestehend aus c2nWiderständen 49, 52 und den Kondensatoren
502 51 bildet mit dem Ausgang 60 und dem Eingang 58 des Operationsverstärkers 57
verbunden einen PD-Regler. Über einen Widerstand 53, welcher ebenfalls am. Eingang
58 angeschlossen ist, kann bei Inbetriebnahme des Magnetlagers ein positiver oder
negativer Impuls, welcher mittels der Einrastautomatik initiiert wird, gelangen,
wodurch die von dem Operationsverstärker erzeugte Ausgangsspannung positiv oder
negativ wird.
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Um die Stabilität der Regelung des Rotors zu erreichen, ist eine positive
Rückkopplung vorgesehen, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers über einen
Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 54 und 55, mit dem positiven Eingang
59
verbunden ist.
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Mittels eines Trimmpotentiometers 56 kann die Arsgane spannung im
Schwebezustand des Rotors welcher mit der von den Permanentmagneten erzeugten instabilen
Lage identisch ist, auf Null abgeglichen werden, so daß der Ansteuerstrom der Ringwicklungen
14 - 18 in diesem Zustand nahezu Nuil wird (Zero-Power").
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Das Ausgangssignal 60 des Operationsverstärker 57 gelangt über einen
von einem Relais der Einrastautomatik angesteuerten Schalter 46 und über einen Handschalter
61 zu dem Eingang 64 des Verstärkers 47. Dieser Verstärker erzeugt einen der Eingangsspannung
proportionalen Avsgangsstrem ip welcher zur Ansteuerung der Ringwicklungen 14 -
18 dient Eine Parallelschaltung von Widerstand 62 und Kondensator 63 ist zwischen
die Ringwicklungen und Masse geschaltet Zur Strom-Gegenkopplung ist zwischen Widerstand
62 und einem weiteren Eingang 65 des Verstärkers 47 eine Rückführleitung geschaltet.
Ein Signalanteil des Stromes i wird weiterhin mittels der Leistung 66 herausgeführt
und dient zur Aktivierung der Einrastautomatik 48.
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In Fig. 3 ist die Einrastautomatik 48 im Blockschaltbild dargestellt.
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Ein Fensterdiskriminator 67, dessen Eingang mit dem Strom pfad 66
der Ringwicklungen verbunden istS liegt mit seinem Ausgang an einem Eingang eines
UND-Gatters 68 und an einer monostabilen Kippstufe 69. Zur Anzeige des Schwebevorganges
ist ebenfalls an den Ausgang des Fensterdiskriminators eine Leuchtdiode 70 angeschlossen.
Der Ausgang der monostabilen Kippstufe 69 ist mit dem zweiten Eingang des UND-Gatters
68 verbunden. Ausgangsseitig wird das UND-Gatter-Signal an den Setz-Eingang einer
bistabilen Kippstufe 72 und an einen Bio närteiler 71 geleitet. Die Ausgangssignale
Q und Q* des Bi-
närteilers betätigen Schalter 73, 74. Die Ausgänge
der Schalteinrichtung 75 werden einem weiteren Schalter 76 zugeführt, welcher von
dem Ausgangssignal einer weiteren monostabilen Kippstufe 77 betätigt wird. Der Q-Ausgang
der bistabilen Kippstufe 72 betätigt den Trennschalter 46. Der invertierende Ausgang
Q der bistabilen Kippstufe ist mit zwei in Reihe geschalteten monostabilen Kippstufen
77, 79 verbunden, deren Ausgangssignal auf dem Rücksetzeingang der Kippstufe 72
geschaltet ist.
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Nachfolgend ist die Wirkungsweise der Einrastautomatik beschrieben.
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Kippt die Reglerausgangsspsnnung des Reglers 4= in eine Lage, in welcher
der Strom durch die Rindwicklungen 14 - 18 eine Richtung aufweist, die entgegengesetzt
der für die Einleitung des Schwebevorganges des Rotors 1 benötigte Richtung ist,
dann entsteht kein Geschwindigkeitssignal am Rotor, der Strom i bleibt konstant.
Dieser Strom wird mittels des Fensterdiskriminators 67 sensiert und erzeugt, falls
er eine bestimmte Schwelle sowohl in negativer wie in positiver Richtung übersteigt,
am Ausgang der Schaltung 67 eine Abflanke, die dann ein Ausgangssignal am UNIJ-Gatter
68 bewirkt, wenn ein Rücksetzimpuls von der monostabilen Kippstufe 69 erfolgt, wobei
die Kippstufe 69 ebenfalls von der Abflanke der Schaltung 67 aktiviert wird. Durch
die Verzögerung des Ausgangssignals der monostabilen Kippstufe 69 wird erreicht,
daß der den Schwellwert überschreitende Strom i eine bestimmte Zeit anstehen muß,
um die Einrastautomatik 48 zu aktivieren. Hiermit werden Fehlauslösungen der Automatik
vermieden. Solange der Ausgang des Fensterdiskriminators durch den Strom aktiviert
einen O-Pegel aufweist, bleibt die Leuchtdiode 70 ausgeschaltet und zeigt erst bei
einer Schwellwertunterschreitung des Stromes i den Schwebezustand an. Das Ausgangssignal
des UND-Gatters 68 bewirkt ein Setzen der bistabilen Kippstufe 72, deren Ausgangssignal
Q den Trennschalter 46 betä-
tigt, welcher dann die Signalleitung
zwischen Regler 45 und Verstärker 47 trennt. Dadurch wird erreicht, daß der Ausgangsstrom
des Verstärkers Null wird Das Q-Signal der Kippstufe 72 bewirkt an einem Monoflop
77 ein verzögertes Ausgangssignal, welches über das weitere Monoflop 79 eine zweite
Verzögerung erfährt. Dieses Signal setzt die bistabile Kippstufe zurück, wodurch
der Schalter 46 wieder geschlossen wird. Das Ausgangssignal des UND-Gatters -68
betätigt weiterhin einen Teiler 71, dessen Ausgangssignal bei jedem Eingangsimpuls
seinen Pegel ändert Mittels dieser Anordnung wird erreicht, daß wechselweise Schalter
73 und Schalter 74 der Schaltvorrichtung 75 geschlossen wird, wodurch abwechselnd
eine positive oder eine negative Spannung, + U o.der - U, an dem Ausgang der Schaltvorrichtung
75- anliegt. Dieses Signal gelangt dann über den Schalter 76 an den Regler 45 bzw.
den Eingang 58 des Operationsverstärkers 57, wodurch dieser entsprechend dem Vorzeichen
der Signalspannung die Ausgangsspannung ändert und somit auch nach Schließen des
Schalters 46 der Ansteuerstrom i seine Richtung ändert, wodurch letztendlich eine
der Permanentmagnekraft engegengerichtete Kraft mittels der Ansteuerspulen 14 -
18 erreicht wird und den Rotor ir den Schwebezustand bringt. Der Schalter 76 wird
lediglich kurzzeitig beim Anstehen eines Ausgangssignals an Monoflop 77 geschlossen,
um ein Einschwingen des Rotors in die Sollage nicht zu blokkieren.
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