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Die Erfindung betrifft einen schweregefesselten Kreiselkompaß mit
schwebend gelagertem Kreiselläufer.
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Kreiselkompasse dieser Art sind in der Patentliteratur schon vor
Jahrzehnten beschrieben worden, haben jedoch bisher keinen Eingang in die Praxis
gefunden, obwohl die schwebende Lagerung des Kreiselläufers besondere Vorteile hinsichtlich
Genauigkeit und Empfindlichkeit hätte bieten können.
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Die Ursache für die bisher ausgebliebene praktische Verwirklichung
eines solchen Kreiselkompasses dürfte darin liegen, daß die Maßnahmen zur Fesselung
der Läuferachse an die Waagerechte und damit zur Erzielung der meridiansuchenden
Wirkung unzulänglich waren. Die einschlägige Patentliteratur schweigt sich über
eine physikalische Begründung für das angebliche Eintreten einer meridiansuchenden
Wirkung gänzlich aus.
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Nach der Erfindung wird bei einem Kreiselkompaß der genannten Art
eine wirkungsvolle und physikalisch klar durchschaubare Schwerefesselung dadurch
erreicht, daß der Kreiselläufer ein in der Richtung seiner Läuferachse bewegliches
Gewicht enthält, das durch eine Rückstellkraft in einer Ausgangsstellung gefesselt
ist.
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Zu dieser Ausbildung eines schweregefesselten Kreiselkompasses mit
schwebend gelagertem Kreiselläufer konnte ein anderer bekannter Kreiselkompaß, bei
dem die Schwerefesselung durch eine federnde Verschiebbarkeit des gesamten Kreiselläufers
erzielt wird, keine unmittelbare Anregung geben, weil bei jenem Kreiselkompaß der
Kreiselläufer nicht schwebend, sondern kardanisch gelagert ist und somit für eine
Schwerefesselung durch Gewichtsverlagerung ganz andere, und zwar durchaus einfachere
Voraussetzungen gegeben waren.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das bewegliche
Gewicht aus einer flüssigen Masse, die eine zur Läuferachse gleichachsige Bohrung
des Läufers teilweise ausfüllt.
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Wenn der erfindungsgemäße Kompaß als Schiffskompaß verwendet werden
soll, muß der Schlingerfehler bekämpft werden, der mangels besonderer Vorkehrungen
dadurch bedingt ist, daß durch die Verschiebung des beweglichen Gewichts in Richtung
der Läuferachse sich der resultierende Schwerpunkt vom Mittelpunkt des kugelförmigen
Kreiselläufers entfernt und daher unter dem Einfluß der Schlingerbeschleunigungen
ein störendes Stützmoment ausüben könnte.
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Die Lösung dieses Problems wird durch eine solche Dämpfung des Gewichts
mit Bezug auf die Schlingerfrequenz des Schiffs erzielt, daß eine längs der Läuferachse
verlaufende Komponente der Schlingerbeschleunigung eine Hin- und Herbewegung des
Gewichts mit einer Phasenverschiebung von etwa 900 bewirkt.
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Dient als bewegliches Gewicht eine flüssige Masse, so läßt sich diese
Dämpfung dadurch erreichen, daß die Bohrung des Läufers durch mindestens eine Querwand
in Kammern unterteilt ist, die durch eine Drosselverbindung kommunizieren.
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Um bei dem erfindungsgemäßen Kreiselkompaß die Schwingungen der Läuferumlaufachse
um die Hochachse durch den Meridian hindurch zu dämpfen, wird auf die an sich bekannte
Maßnahme zurückgegriffen, das dämpfende Stützmoment auf den Kreiselläufer durch
Kippen des Antriebmomentvektors zu erzeugen.
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Das kann in der Weise geschehen, daß der das Läuferantriebsmoment
erzeugende Motorständer um eine
waagerechte, den Antriebsmomentvektor rechtwinklig
schneidende Achse durch einen Hilfsantrieb in Abhängigkeit von der Neigung der Kreiselläuferachse
verstellbar ist. Letzteres ist dadurch erreichbar, daß ein auf den Motorständer
wirkender Kippantrieb unter Steuerung durch eine Libelle steht, die durch Nachlaufantriebe
parallel zur Kreiselläuferachse gehalten wird.
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Die Erfindung sei nunmehr im einzelnen an Hand einiger Ausführungsbeispiele
erläutert, die in der Zeichnung wiedergegeben sind. In dieser zeigt F i g. 1 einen
Aufriß der wesentlichen Teile des Kreiselkompasses, teilweise im Schnitt, F i g.
2 eine andere Ausführungsform des Kreiselläufers im Querschnitt und F i g. 3 eine
dritte Ausführungsform des Kreiselläufers im Querschnitt.
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Ein kugelförmiger Kreiselläufer 10 ist als Kurzschlußanker eines
Drehstrommotors ausgebildet, dessen Ständer 11 nur schematisch ohne seine Wicklungen
dargestellt ist. Diese werden mit einem Wechselstrom von Tonfrequenz erregt und
erzeugen ein Drehfeld, in welchem der Läufer 10 um seine Hauptträgheitsachse 15
umläuft, die ungefähr mit der Ständerachse 12 zusammenfällt. In dem Spalt zwischen
dem Ständer 11 und dem Läufer 10 wird ein Druckluftkissen aufrechterhalten, auf
dem der Läufer 10 schwimmt. Zu diesem Zweck ist der Ständer 11 mit ringförmigen
Kanälen 13 versehen, welche die Achse 12 gleichachsig umgeben und in denen ein Luftdruck
durch eine Pumpe mit nicht näher veranschaulichten Schlauchanschlüssen aufrechterhalten
wird. Diese Ringkanäle 13 sind mit dem Luftspalt durch Drosselbohrungen 14 verbunden.
Sucht der Läufer 10 unter dem Einfluß der Erdbeschleunigung oder anderer Beschleunigungen
seine konzentrische Lage im Ständer 11 zu verlassen, so daß sich der Luftspalt an
irgendeiner Stelle verengt, dann sinkt die Strömungsgeschwindigkeit und infolgedessen
auch der Druckabfall in den dort mündenden Drosselöffnungen 14.
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Das führt aber dazu, daß dort der im Luftspalt herrschende Druck steigt
und sich dem in den Ringleitungen 13 herrschenden Überdruck nähert, was einer Verengerung
des Luftspalts entgegenwirkt. Dadurch wird verhindert, daß eine Berührung zwischen
dem Läufer 10 und dem Ständer 11 eintritt.
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Bekanntlich stellt sich der Läufer 10 im Betrieb so ein, daß er um
seine Hauptträgheitsachse 15 umläuft.
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Um diese zu schaffen, besteht er aus zwei aufeinanderliegenden Scheiben
16 und 17 von besonders hohem spezifischen Gewicht, die auf der Achse 15 lotrecht
stehen, und aus zwei Kugelkalotten 18 und 19 von geringerem spezifischem Gewicht.
Gleichachsig zur Achse 15 hat der kugelförmige Läufer eine ebene Spiegelfläche 20,
die dem Zweck dient, eine die Lage des Ständers 11 bestimmende Nachlaufeinrichtung
so zu steuern, daß die Achse 12 des Ständers 11 ständig mit der Hauptträgheitsachse
15 des Läufers 10 zusammenfällt.
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Zu diesem Zweck ist der Ständer 11 an einem ihn umgebenden Ring 24
befestigt, der oben in der Symmetrieebene des Ständers 11 einen lotrechten Zapfen
22 trägt, mit dessen Hilfe die Kompaßrose 26 am Ring 24 und dem Ständer 11 befestigt
ist. Der Ring 24 ist durch Lagerkugeln 28 in einem gleichachsigen Ring 30 drehbar
gelagert und mit einem Zahnkranz versehen, der um seine Achse mittels eines am Ring
30 angebrachten Nachlaufmotors 38 und eines Getriebes
31, 40 drehbar
ist. Ein am Ring 30 sitzender lotrechter Zapfen 32 ist in einem Ständer 34 drehbar
gelagert, dessen Achse 36 durch den Mittelpunkt des Ständers 11 hindurchgeht und
dort von der Achse der Ringe 24 und 30 geschnitten wird.
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Auf dem Ständer 34 ist ein Nachlaufmotor 44 befestigt, dessen Läufer
ein Ritzel 46 trägt, das mit einem am Ring 30 gleichachsig zu dessen Achse 36 bebestigten
Zahnkranz 48 kämmt.
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Am Ring 24 ist eine ProjektionslampeSO angebracht, die ein Strahlenbündel
52 auf die ebene Spiegelfläche 20 des Läufers 10 wirft. Das durch den Spiegel 20
zurückgeworfene Strahlenbündel bildet einen Lichtfleck auf einem am Ring 24 befestigten
Strahlenempfänger 54, der mit vier im Kreise angeordneten lichtelektrischen Zellen
versehen ist. Je nachdem, ob der Lichtfleck auf dem Empfänger 54 auf oder ab oder
nach rechts oder nach links wandert, werden verschiedene dieser Zellen beeinflußt
und steuern über eine Verstärkerschaltung die beiden Nachlaufmotoren 38 und 44 derart,
daß diese den Ring 24 und den an ihm befestigten Ständer 11 jeweils in die Lage
zurückfi} hren, in der die Hauptträgheitsachse 15 des Kreiselläufers mit der Achse
12 des Ständers zusammenfällt.
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Um nun zu erreichen, daß jede Neigung der Hauptträgheitsachse 15
ein Stützmoment erzeugt, dessen Vektor auf der Zeichenebene lotrecht steht, enthält
der Kreiselläufer 10 ein in der Richtung seiner Läuferachse 15 bewegliches Gewicht,
das durch eine Rückstellkraft in einer Ausgangsstellung gefesselt ist.
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Bei der in F i g. 2 veranschaulichten Ausführungsform ist zu diesem
Zweck zwischen den beiden Scheiben 216 und 217, die den Scheiben 16 und 17 der F
i g. 1 und 3 entsprechen, eine dünne, aus federndem Werkstoff bestehende Membran
60 eingespannt, deren Ebene auf der Hauptträgheitsachse 15 lotrecht steht.
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Die dieser Membran 60 zugewandten Flächen der beiden Scheiben 216
und 217 sind jedoch so ausgespart, daß die Membran nur an ihrer Randzone eingespannt
ist und in ihrem Mittelteil in Richtung der Achse 15 durchfedern kann. In ihrer
Mitte trägt die Membran ein an ihr befestigtes Gewicht62. Neigt sich die Trägheitsachse
15 zur Waagerechten, dann bewegt sich das Gewicht 62 auf der Achse 15 abwärts. Das
hat aber zur Folge, daß der Schwerpunkt des Läufers 10 von dessen geometrischem
Mittelpunkt abweicht und die Erdbeschleunigung daher das gewünschte Stützmoment
erzeugt. Durch dieses erfährt der Läufer eine Präzessionsbewegung, die seine Läuferachse
in den Meridian wandern läßt. Da der Ständer 11, durch die beiden Nachlaufmotoren
44 und 38 angetrieben, diese Wanderung mitmacht, dreht sich auch die Kompaßrose
26 in den Meridian. Da indessen das Stützmoment, das die Kreiselläuferachse in den
Meridian wandern läßt, noch weiter wirkt, wenn die Meridianlage erreicht ist, schwingt
die Kreiselläuferachse durch den Meridian hindurch. Die weitere Erddrehung führt
dann dazu, daß das abwärts geneigte Ende der Trägheitsachse 15 aufwärts kippt, bis
die Achse 15 wieder waagerecht steht und sich schließlich entgegengesetzt neigt
und daher das Gewicht 62 in die entgegengesetzte Richtung wandern läßt. Dadurch
entsteht ein Stützmoment, das dem bisher wirksamen entgegengesetzt wirkt und daher
die Kreiselläuferachse wieder zurückpräzedieren läßt.
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Zweckmäßig werden die Größe des Gewichts 62, das Maß der Verstellung
dieses Gewichts und der
Drall des Kreiselläufers so bemessen, daß die Schwingungszeit
in bekannter Weise 84 Minuten beträgt. Das hat dann zur Folge, daß Beschleunigungen
des mit dem Kreiselkompaß ausgerüsteten Schiffs keine störenden Schwingungen auslösen.
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Die Schwingungen des Kreiselläufers durch den Meridian hindurch müssen
gedämpft werden. Zu diesem Zweck muß ein dämpfendes Stützmoment auf den Kreiselläufer
ausgeübt werden. Das geschieht beim beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, daß
das Dämpfungsmoment auf den Kreiselläufer durch Kippen des Antriebsmomentvektors
erzeugt wird. Zu diesem Zweck ist der das Läuferantriebsmoment erzeugende Motorständerll
an dem Ring 24 nur dessen Achse 75 drehbar gleitend geführt. Diese Achse 75 verläuft
waagerecht und schneidet rechtwinklig den Antriebsmomentvektor. Um diese Achse ist
der Motorständer durch einen Hilfsantrieb 76 verstellbar, und zwar in die eine oder
die andere zweier gestrichelt angedeuteter Schrägstellungen. Bei dem Antrieb 76
kann es sich um eine Magnetspule handeln, in der ein Anker in Achsenrichtung verschiebbar
geführt ist. Die Magnetspule ist am Ring 24 und der Magnetanker am Ständerll gelenkig
befestigt.
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Gesteuert wird die Magnetwicklung durch eine Libelle 77, die an dem
Ring 24 befestigt ist und die daher durch die beiden Nachlaufantriebe 31, 38, 40
und 44, 46, 48 ständig parallel zur Kreiselläuferachse 15 gehalten wird.
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Der Ständer 11 nimmt daher die bei A' gestrichelt angedeutete Lage
ein, solange die Kreiselläuferachse 15 zur Waagerechten in dem einen Sinne geneigt
ist.
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Der Ständer 11 wird aber in die Lage B' verstellt, sobald die Achse
15 die Waagerechte erreicht und sich dann im anderen Sinne zur Waagerechten neigt.
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Das Kippen des Motorständers 11 um die Achse 75 hat zur Folge, daß
der Vektor des vom Drehfeld erzeugten Antriebsmoments in zwei Komponenten auflösbar
wird, deren eine mit der Achse 15 zusammenfällt und den Umlauf des Kreiselläufers
entgegen der Luftreibung aufrechterhält, während die andere Komponente durch einen
etwa lotrechten Vektor dargestellt werden kann und die Kreiselläuferachse 15 aufrichtet
und daher die Dämpfung bewirkt.
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Wie man mit Hilfe einer Libelle ein elektrisches Stützmoment steuern
kann, ist bekannt. Darum bedarf es keiner näheren Erläuterung, in welcher Weise
die Libelle 77 die Erregung der Magnetspule 76 steuert.
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Indessen wirkt die Steuerung durch die Libelle nur so lange genau,
als der Kompaß keinen erheblichen einseitig wirkenden Beschleunigungen unterliegt.
Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, die Libelle 77 von der Magnetspule 76 in Abhängigkeit
von der Nord-Süd-Komponente der Fahrtbeschleunigung abzuschalten. Die Fahrtbeschleunigung
wird mit Hilfe des Logs gemessen.
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Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung hat der
Kreiselläufer 10 eine mit seiner Hauptträgheitsachse 15 zusammenfallende Sackbohrung
64, deren offenes Ende durch einen Stopfen 66 verschlossen ist und die eine flüssige
Masse, z. B.
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Quecksilber, enthält, welche die Bohrung 64 teilweise ausfüllt. Durch
die Fliehkraft wird beim Umlauf des Läufers 10 diese flüssige Masse nach außen geschleudert
und bildet einen Innenmantel 68, dessen Flüssigkeitsspiegel unter dem Einfluß der
Fliehkraft eine zylindrische Gestalt anzunehmen sucht. Neigt sich aber die Hauptträgheitsachse
15, dann verlagert sich
die Flüssigkeit nach dem einen Ende der
Bohrung 64 hin, so daß der Flüssigkeitsspiegel eine kegelförmige Gestalt anzunehmen
sucht. Der Schwerpunkt der flüssigen Masse fällt dann nicht mehr mit dem Mittelpunkt
des Kreiselläufers zusammen, sondern ist auf der Achse 15 seitlich verschoben, wodurch
in der beschriebenen Weise die Präzessionsbewegung erzeugt wird.
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Kreiselkompasse mit einem einzigen Kreiselläufer unterliegen bekanntlich
bei Anordnung auf einem schlingernden Schiff dem Schlingenfehler, der dadurch entsteht,
daß die auf den Läuferschwerpunkt wirkende Schlingerbeschleunigung ein störendes
Stützmoment erzeugt.
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Dieser Mangel ist nun dadurch ganz oder teilweise behoben, daß die
Verschiebung des Gewichts in Richtung der Achse 15 in bestimmter Weise gedämpft
ist.
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Diese Dämpfung ist auf die Schlingerfrequenz des Schiffs derart abgestimmt,
daß die längs der Achse 15 verlaufende Komponente der Schlingerbeschleunigung eine
Hin- und Herbewegung des Gewichts 62 oder 68 mit einer Phasenverschiebung um etwa
900 bewirkt.
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Bei der Ausführungsform der F i g. 2 ist das dadurch erreicht, daß
die beiderseits der Membran 60 durch die Aussparungen der Scheiben 216 und 217 gebildeten
Kammern, die durch eine axiale Bohrung 70 des Läufers vergrößert werden können,
durch Drosselbohrungen 72 miteinander verbunden und mit einer Flüssigkeit gefüllt
sind. Bei jeder Verschiebung des Gewichts 62 in Richtung der Achse 15 muß die Flüssigkeit
aus der einen Kammer verdrängt und durch die Drosselbohrungen 72 in die andere Kammer
gedrückt werden. Dadurch läßt sich die Verschiebung des Gewichts 62 in Richtung
der Achse 15 in der gewünschten Weise dämpfen.
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Ähnlich erfolgt die Dämpfung bei der Ausführungsform der F i g. 3.
Dort ist die Bohrung durch eine zwischen den Scheiben 16 und 17 eingeschaltete steife
Trennwand 174 in zwei Kammern unterteilt, die durch Drosselbohrungen 176 in Verbindung
stehen. Diese Bohrungen befinden sich dicht am Umfang der Bohrung 64, so daß sie
beim Umlauf des Kreiselläufers mit der Flüssigkeit gefüllt sind.
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Das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung läßt sich in mannigfacher
Hinsicht abwandeln.
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Um sicherzustellen, daß der Vektor des vom Drehfeld auf den Läufer
10 ausgeübten Drehmoments mit der Achse 12 des Ständers zusammenfällt - anderenfalls
würde ein störendes Stützmoment auf denKreiselläufer ausgeübt werden -, kann der
Ständer 11. statt am Ring 24 befestigt zu sein, in diesem um die Achse 12 drehbar
gelagert sein und mit vergleichsweise niedriger Drehzahl in Umlauf versetzt werden,
z. B. durch Rücktoßdüsen, die mit den Druckluftkanälen 13 in Verbindung stehen.
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Ferner kann der Läufer 10 mit einem Kurzschlußkäfig versehen sein,
der in der bei Drehstrommotoren üblichen Weise aus Kupferstäben und Kupferringen
besteht. Der Ständer 11 kann in der üblichen Weise aus lamelliertem Blech bestehen.
Der Ständer 34 kann bei Ausgestaltung des Kompasses als Schiffskompaß kardanisch
aufgehängt sein.
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Es besteht auch die Möglichkeit, den Motorständer so auszugestalten,
daß er nicht auf elektrische Weise durch Erzeugung eines Drehfelds das Antriebsmoment
erzeugt, sondern auf pneumatische Weise auf den Kreiselläufer wirkt und zu diesem
Zweck Düsen trägt,
die tangentiale Luftstrahlen auf die Oberfläche des Läufers richten.
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Ferner kann der Kreiselläufer anders gestaltet sein.
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Er kann einen Hohlraum und eine in diesen hineinragende kleine Kugel
aufweisen, welche in einer Pfanne läuft, deren Tragarm längs der Achse 12 in den
Hohlraum hineinragt und am Ständer 11 befestigt ist. Dann kann der Luftspalt zwischen
der äußeren Kugelfläche des Läufers und dem Motorständer größer bemessen werden,
so daß dort die Luftreibung niedriger wird.
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Ferner kann der Hilfsantrieb 76 so ausgestaltet sein, daß er den
Ständer 11 um einen Winkel kippt, welcher der Neigung der Libelle 77 zur Waagerechten
verhältnismäßig gleich ist. Das hat dann zur Folge, daß das Dämpfungsmoment mit
abnehmender Schwingungsamplitude sinkt. Auch kann der Ständer 11 statt um die Achse
75 schwenkbar zu sein, um die Achse des Zapfens 22 schwenkbar am Ring 24 gelagert
und durch Antrieb 76 gedreht werden.
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Statt durch ein Luftkissen kann der kugelförmige Kreiselläufer auch
durch elektrostatische Kräfte in der Schwebe gehalten werden.
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Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform wird die Rückstellkraft,
die das Gewicht 62 in seiner Ausgangsstellung fesselt, von der Federkraft der Membraun
60 gebildet. Diese Ausgangsstellung ist dabei diejenige Stellung, in welcher der
Schwerpunkt des Gewichts 62 mit dem Mittelpunkt des Läufers zusammenfällt. Jedoch
bestünde auch die Möglichkeit, das Gewicht 62 in einem gewissen Abstand vom Mittelpunkt
des Läufers anzuordnen, sofern nur durch ein Gegengewicht dafür gesorgt wird, daß
der Gesamtschwerpunkt des Läufers mit seinem geometrischen Mittelpunkt zusammenfällt,
solange die Membran entspannt ist.
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Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform wird die Rückstellkraft
durch die Fliehkraft gebildet.
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Die Drosselkanäle 72 und 176 können temperaturabhängig, etwa durch
Bimetall bewegte Ventile, gesteuert werden.