DE2219029A1 - Elektromagnetische Vorrichtung zum freischwebenden Aufhangen einer um eine vertikale Achse rotierenden Last - Google Patents

Description

^ DR. ERNST STURM

DR. HORST REINHARD

DIPL.-ING, KARL-JÜRGEN KREUTZ

Anmeld er : ^{8000 München 40}» Leopoldstraße 20/IV

Telefon: (0811) 39 6451

Comitato Nationale per L-Energia Nucleare Draht: isarpatent

Rom, Yiale Regina Margherita 12?, Italien Bank; Deutsche Bank AG München 21/14171

Postscheck: München 9756

Datum ₁₈. 4. 1972

Kr - m

Elektromagnetische "vorrichtung zum freischwebenden Aufhängen einer um eine vertikale Achse rotierenden Last

Die Erfindung betrifft eine »ich zwangsläufig zentrierende magnetische Vorrichtung für die schwebende Aufhängung rotierender Körper, insbesondere von um ihre Symmetrieachse rotierenden Rotationskörpern.

Bei den vorgesehenen Funktionen ist die Drehachse bzw, Symmetrieachse vertikal ausgerichtet, während die geraden Linien und Ebenen des Rcfcitions^· körpers senkrecht zu der Drehachse horizontal ausgerichtet sind* lachfolgend wird diese Achse als "Längsachse" und werden die horizontalen Linien und E'lächen als "Transverse" bezeichnet»

Er; ist bekannt, Körper mittels permanenter Magnete schwebend aufzuhängen, celbnt wenn dan axiale Gleichgewicht unstabil ist. Ferner ist die schwebend« 'ifhänmm/ϊ von Körpern mit teLi; elektrodynamischer Felder bekannt, wolchG von V/och;jelüLromr.puien erzeugt werden, die auf metallische Teile der; uurgomngtrm iJub.jokLs v/irkon»

SAD OBtGiNAL

2O98SÖ/D6A3 _ „ ..

In der Anmeldung x^J 22o9 408.4 der Anmelderin ist eine selbstentrierenda magnetische Vorrichtung für die Aufhängung von Körpern beschrieben ,.die im Prinzip auf einer Kombination magnetischer und elektrodynamischer Wirkungen beruht. Und zwar sind kombiniert die Wirkung eines permanenten Magneten auf einen mit der Last rotierenden ferromagnetishen Anker mit der elektromagnetischen Wirkung, die von verschiedenen überlagerten Wechselstromspulen auf metallische, gut leitende Körper, die ebenfalls mit der Last rotieren, ausgeübt werden.

Der Permanentmagnet trägt dabei den größeren Teil des Gewichts, während die Spulen das System in die vorbestimmte axiale Position bringen und darin halten, wobei also die Spulen nur die Differenz zwischen der Kraft des Magneten und dem Gewicht des Körpers aufbringen, Dabei sind das Gewicht des Körpers zuzüglich des Magneten jeweils gleich der magnetischen Anziehungskraft.

Die zusätzliche elektromagnetische Tragkraft ist gleichgerichtet oder entgegengesetzt der Kraft des Permanentmagneten, je nach dem, ob die für den Gewiehtsausgleich erforderliehe Kraft mit der Magnetkraft übereinstimmt oder entgegengesetzt zu ihr ist.

Eine besondere Ausführungsform des Ankers erlaubt dabei gleichzeitig eine Zentrierung der Last mittels des Permanentmagneten. Gegenüber den traditionellen Methoden ist damit zwar ein enormer ibrtschritt erreicht, jedoch ist zu bedenken, daß eine äußere Kraftquelle, wenn auch mit recht kleiner Leistung erforderlich ist, einzig zum Zweck der Stabilisierung des axialen Güohgewichts.

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Mt vorliegender Erfindung soll daher eine Vorrichtung geschaffen werden; die sämtliche zuvor aufgezeigten Vorteile hat, die aber keine äußere Kraftquelle benötigt und die überdies besser zentriert.

Τλχ diesem Zweck wird für die primäre, hauptsächliche Aufhängung und radiale Zentrierung der Last ein System mit zwei - anstelle von' einem - Elektromagneten vorgesehen, die identisch sind und in der Wirkung denen der vorgenannten Anmeldung entsj rechen. Dabei sind gemäß der Erfindung die beiden permanenten Magnete imilbstand von einander an den Enden der Drehachse vorgesehen, so daß sie eine bessere Zentrier- und Stabilisierwirkung haben.

Während des Betriebes rotiert des aufgehängte Körper mit den beweglichen

Die
Elementen um die vertikale Achse, /fast kann grundsätzlich an beliebiger Stelle der Drehachse angebracht sein, wobei sie aber dynamisch ausbalanciert (ausgewuchtet) sein muß.

Die axiale Kompensationswirkung, welche gemäß der älteren Anmeldung durch die elektromagnetischen Spulen ausgeübt wird, wird gemäß der Erfindung ersetzt durch die Wirkung eines Systems von Permanentmagneten, die auf einen oder mehr entsprechend gestaltete Elemente aus elektrisch leitendem Material wirken, welche Elemente den elektromagnetischen Fluß kreuzen bzw. schneide^, wenn eine Relativbewegung zwischen den Magneten und den leitenden Elementen stattfindet.

Im Betrieb wird dabei eine Abstoßungskraft ausgeübt, die von verschiedenen. Parametern abhängt, wie der Dicke des leitenden Körpers (der Wirbelscheibe), seinen elektrischen Eigenschaften, der Drehgeschwindigkeit, sowie der An- . zahl der Magnete. _ *

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Das System der Permanentmagnete - nachfolgend Kompensationssystem - genannt - kann dem System der Tragmagnete bzw. Hauntmagnete oder der Hdationsachse zugeordnet sein.

Da eine hohe Drehzahl erforderlich ist, darf der Antrieb keine Reibung haben, insbesondere soll kein mechanischer Kontakt zwischen· dem Antrieb und dem getriebenen Teil vorliegen.

Ein hauptsächlicher Vorteil der Erfindung besteht somit darin, daß eine sich automatisch zentrierende magnetische Aufhängung eines rotierenden Körners erreicht wird, bei welcher die Zentrierwirkung an zwei oder mehr Stellen dedwelle im Abstand voneinander angreift. Dabei wird gleichzeitig der Vorteil erreicht, daß keine gesonderte Stomquelüe für die Zentrierung erforderlich ist. Dank der Anwendung von Permanentmagneten anstalt von Stralen wird auch eine mehr kompakte Bauweise erreicht, die wirtschaftlicher in großen Stückzahlen herstellbar ist.

Schließlich ist auch recht vorteilhaft, daß zum Antreiben eine Anzahl verschiedener Motoren zur Verfügung stehen, die kontaktlos arbeiten.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.

Figur 1 zeigt einen axialen Schnitt einer Vorrichtung wie sie ursprünglich

konzipiert wurde.
Figur 2 ist eine Draufsicht längs der Linie II-II in Fig. "■> und zeigt die Magnete für den axialen Gewichtsausgleich, also din Kompensationsmagnete.

HV *\

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Figur 3 ist ein axialer Schnitt nach Linie III-III in Fig. 2 Figur 4 zeigt ebenfalls im axialen Schnitt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die gesamte Vorrichtung nach Figuren 1 bzw. 4 ist an einem Gestell* 19 montiert und benteht gemäß Figur 1 aus folgenden Hauptteilen:

Zwei identische Trag- und Zenbriereinheiten, und zwar die obere Einheit A oberhalb der Strichlinie A und die untere Einheit C unterhalb der Strichlinie C; zwischen den 3trich.lini.en A und B befindet sich die Kompensationseinheit r3; die Nutzlast ist mit ΐβ und der Antrieb mit 17 bezeichnet.

ULe beiden Trag- und Zentrierheinheiben sind wie folgb aufgebaut:

Eine Tragscheibe 1 aus ferromagnebischem Material ist am Gestell.19 montier b. Die Tragscheibe 1 mit horizontaler Oberseite hat einen äußeren und einen inneren ringförmigen Vorsprung, die beide auf der gleichen Höhe enden. Am inneren Vorsnrung sitzt ein ringförmiger Permanenbmagnet Ji mit rechteckigem, aber unten außen schräg abgeschnittenem Querschnitt, An der äußeren Ringfjchulber sitzt ein weiterer Permanentmagnet 2, dessen Außenseite ebenfalls nach unten zu konisch zulaufb. Zwischen den Magneten 2 und 3 ist ο in ringförmiger Hohlraum oingenchLofjfsen. Die Magneten 2 und 5 enden in der gleichen Höhenlage. Die Welle 1o tritt frei durch eine zentrische öffnung diones Magnetsystem» 1, 2, '■) hindurch; auf der Welle sitzt drehfCJnt ein Anker 4, der dar; Ma_; ^ri;netr,,yr;te;m ochLiei.it.

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Dieses Magnetsystem besteht also aus:

Permanentmagnet 2, Tragscheibe 1, Permanentmagnet 3, Luftpalt 7 und schließlich Anker 4.

Der Anker 4 ist im wesentlichen diskuslormig, koaxial und entsprechend dem Magnet sys tem 1, 2, 3, wobei also zwei Vbrspriinge 8, " gegenüber den Polen der Permanentmagnete 2, 3 ausgerichtet sind.

Die Anker 4 der beiden Einheiten A und C r.ind auf der V/elle 1o im Abstand voneinander angeordnet. Die V/elle 1o ist hohl. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeisniel ist derjenige Teil derEinheiten A und B, der die Permanentmagnete enthält, fest mit dem äußeren Gestell 19 verbunden, während der Anker an der V/ello bzw. der Last drehfest sitzt.

Die Einheit B zum Gewichtsausgleich weist zwei identische Einheiten 14 a udn 14 b auf, die am Gestell'19 montiert sind und eine Anzahl von Permanentmagneten tragen, die gemäß Pifiuren 2 und 3 nach einem sternförmigen Muster angeordnet sind. Jeder einzelne Magnet dieses Magnetsystems hat die Form eines gleichschenkeligen Trapeze ids. Diese Magnete sind sternförmig um die Welle 1o herum angeordnet, die aber frei durch die I-iagnetsysteme hindurchtreten kann. Die Symmetrieachse der Imgnetanordnung fällt zusammen mit derjenigen der Welle 1o bzw. des Rotationskörper;·.; 16. Diese Kagnetanordnunr sitzt an einer Tragscheibe \) a, 13 b, die in wesentlichen flach und r.-.it einer Durchtrittsöffnung für die WeLIe 1o ausgebildet ist. hit besonderen, nicht gezeigten, Justiereinrichtungen ist der Abstand zwischen den Magnetsystemen 13a, 13 b einstellbar und sind diese Systeme gegenüber der l/olLe 1o zentrierbar. In ,jeder Mai.no teinheit befindet sich eine gerade Anzahl, von Magneten, die in Richtung der Welle ]o polarisiert sind. Jo zwei benachbarte Magneto· sind entgegengesetzt polarisiert, jedoch jewelLs parallel :;ur

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209850/0648 BADORIQ₁NAl

Achse 1o. Die Abmessungen der Magnete beider Systeme und ihr Abstand voneinander sind gleidi. Jeder Magnet bildet zusammen mit den beiden benachbarten Magneten der sternförmigen Hagnetanordnung ein Paar magnetischer Kreise, deren Magnetflüsse geschlossen werden durch die ferromagnetische Tragscheibe 13 a, 13b. Die Anzahl der Magnete hängt ab von der Geschwindigkeit, mit welcher das stabile axiale Gleichgewicht erreicht werden soll. Die trapezförmigen Permanentmagnete sind durch ebenfalls traoezförmige Sektoren 14 " (Fig. 2) aus nicht magnetischem Material auf Abstand gehalten.

Die Scheibe 15 aus elektrisch leitendem Material wie Kixofer oder Aluminium ist zwischen den Magnetsystemen 13 a, 13 b fest auf der V/elle 1o montiert, ■parallel zu den beiden Magnetsystemen. Oberhalb der Tragscheibe 13a ist auf der Welle 1o ein Tragring 11 vorgesehen, mit welchem sich die V/elle abstützt, wenn die Vorrichtung nicht in Betrieb ist. Die Tragscheibe 11, beispielsweise als metallischer Ring, ist mit einer selbstschmierenden Unterseite ausgerüstet, die mit einem entsprechendem, selbstschmierenden Ring 12 an der Tragscheibe 13 a zusammenarbeitet, wodurch ein Gleitlager mit geringer Reibung gebildet ist, wenn sich die Welle entsprechend absenkt. Selbstverständlich können Wälzlager, selbstschmierende konische Büchsen vorgesehen sein, oder aber ein einzelner Tragstift bzw. Zapfen am unteren Ende der Welle 1o.

Die Hutzlast 16 auf We]Ie 1o kann zwischen den Strichlinien A B den Linin B C angebracht sein.

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τ 8 -

2 09850/0648 : —

Der Antrieb 17 sitzt zwischen liutslast 16 und Einheit C, er könnte auch an anderer Si eile vorgesehen sein. Ώοι* ntr^.icn"^« Toi] des Abtriebs 17 sitzt .jedenfalls frorst am Gestell 1°. Der· n'itriebh^t-n elektrischer, pneumatischer oder hydraulischer Art sein, sofern nur ein mechanischer Kontakt YPinJ ßdeii ist, dar· eine Ver^ö^erun/rrvirl'un"' puf die Ausf. ei ölvorrichtung haben \ri'rde.

Oiο 3'¹JiTUr /1 zeiirt; eine Variation der Koinoensationavcrrichtun^ B in Fip. Up(3 zwar ist feni?'.'". FJnir /! anstelle dor leitenden ScJieibe 1'i eine steimfi'nni'rG Anordnung von Elektromaanoten JV.-l. auf der Welle 1o vor^eaehen, A7;i.h\'f-nd din Einheiten 1Ί a, Λά b in }'i^cni?' 2 oi\:-ut7₄t oind durch el(3lctria?.h leitende Elemente bsv/. Scheiben 2o a ui:d 2o b, die wiederum am Gestell 19 montiert p.ind und v/ie vor axial einstellbar r.nd radial einstellbar sind. In diesem Falle entfallen die ferrompi^r^tisehen Trafrscheiben 13 a» 15 b der Fi.rur 1 air i'heriT'irsirj der station;^;re Teil 1? des Tra^la^ers 11, 12 mht fest auf dor 'Jcheihe 2o a.
Im ilr.i'.'Qn entspricht die Vorri.chtv.nr· noch Vir, A derjenigen nach 1'¹I^, 1.

Die Fun!:tirn sei nachfolgend anhand der Pi "ur 1 nochmals erläutert:

Im otillstand ruht die Welle 1o auf den· .^:'^a,Tln^r"er 11, 12. Der Luftspalt 10 ^M ist dabei finger als der Luftspalt 18 '; mangels Relativbev/e/^mr zwischen Scheibe Ti rad Ilafmetanordnunir 1/1 μ und b treten keine Wirbelströme in der leitenden Scheibe 1^[i auf, welche /batoi.!iinfrskr-^;;fte ausüben ':"nnten.

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Die radiale Zentrierung ir-[ !Keubibnri: durch die Einheiten Λ und G, die? im Betrieb auch den Hackbeil des Gewichbes braten. Bo-i Einsohalbung des Antriebs 17, wenn sich also die V/elle 1o mLI- der Hiitzlasfc 16 in Bewegung setzt, tritt entsprechende Relativbewegung auf zwischen der magnetischen Scheibe 15 und den Permanentmagneten 14 a, 14 b, wodurch entsprechende parasitäre Ströme, d. h. V/irbelsbröme Ln der magnebischen Scheibe 15 induzier b werden.

Wach dem Indtikbionsijeseb?; erzeugen diese V/irbelsbröme einen magnebischen PluH, entgehendesebzb κη dem der Ma^nebe 14 a, 14 b, Es bribb also zwischen ,jedem Magnebsabr, und der Scheibe 1¹^ ei.ne absboQende Krafb auf, dLe - bei fileichbleibenden übrigen bedingungen - ,'jeweils umgekehrt nroDorbional zu der Breite den Lufbspalben Ii';¹ bzw, 18 «« inb.

Die Vorrichbung Lnb so a.uogerichbeb, daß bei der Iienndrehzahl die Luftsnalbe 18·, 1B '· 'gleich sind. L¹Js isb augenscheinlich, daß ,jede Störungs-',/irkung, die dazu neigt, die Scheibe 15 zu verschieben gegenüber derjenigen Stellung, in welcher die Lufbupalte gleich sind, einer Gegenwirkung begegneb, durch die radialen Mjignebe, da bezüglich der Scheiben, die Abntof.'ungswirkung der radialen Magnetfsätze zunimmb im gleichen Yerhälbnis v/ie der zugehörige Lufb^nalb abnimmb.

Abgesehen vom Luftspalt haben Einfluß auf die Absboßungswirkung die Dreh'/.ah! , dir; Anzahl der Magnete (/)n vielcher die Frequenz den abstoßenden Flurj;;e'i abh-'ingt), sowio ruf flekbromagnetischen und die elektrokondukbiven Charakboriiitih'i dor iJcPioiho ]¹.., r;ov/i.e ihre Dicke.

SAO ORiGLNAS.

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- Io -

fie L der AiusLefjung muf. benondera darauf .r;eaohieb werden, rlar.^!- der '['ra.· -τ in -; I I von dem Oe^rierirLn_e'r 12 aufgrund dor-' liiboßunvfiwLrlawc abgehoben inb, bevor die iJrehzaliL einen tsolchen Werb erreichb, bei dem die La^eminr? beaoh-V] i^t v/erden würde. Hierzu nun- im? beyondere dLe Dicke und die Anzahl, der Fa'-n <; r e entsorechend einfresbelU; werden.

Jegliche treigunff¹ detwfelle r-uv Amfeiohuii'; von der <?erauen roflialen Aur^irvbunp: v.'Lrcl konzenbrierb durch di« konischen Pole 5, 8 der Einheiten A und Da diese Wirkung »leLchzeibLir aungeiibb wird an beiden Linden der WeILo Io, Lob die Wirkung wirksamer als sie sein würde, wenn nur eine Vorrichtimf¹· k oder 0 vorhanden wäre, insbesondere be'MiijL Loh einen ürehmomenbei;, uoIcuoe; ein Kinpen der Welle hervorrufen möchbe und vfelchea also die V/e] 1 e Io au:; der s;enau verbikalen luge bringen nöchba.

Die Ausbildiin^ in fc'iijur 4 unberscheideb aich von derjenigen nach ^ffigur I nur bezüglich des Ursprungs? -ler die axiale Zenbrierun?; bewirkenden Abstoßungskräfte. Wenn gemüO FIr,, e\ die abern form ige I-Iagnebanordnunp? ?1 sich mib der Welle 1o mibdrehb, vierden die von den Har^ieben ausgehenden Fliese geachnibben von den elekbrisch leibenden Scheiben 2o a 2o b, velohe an dem Gestell l^l) feabsibyen. Tm Hffekb inb die V/irkunf? der Anordruir,'¹: τοπ:. b'if¹,'. 4 die gleiche v;ie der,ienifven tmh Fir. I.

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Claims (2)

Patent- Schute nu

1. iile'cr.^opia^ietiische Vorrichtung zum freischwr-benden Aufhänger eine:¹- an ei no;·:· ävlo flitzenden Last iv !"hrra eines RotationskOTOea's, ^puurch gekennzeichnet,

da¹· in'ariaüeii Abstand vono-V^^ier zvr>i Träfe- und Zentriölvorrichtungen (A, Ol und eine Yorrichtung/i.wa halten der Welle auf gleicher Höhenlage anfveist, \onoi dip beiden Zentriervorrichtunfffen au? .ie zwei ferroraannetisehen Scheiben bestehen, von denen die eine als PermanentTPafmet und die andere als W¹TGr funfciert, wobei die voneinander angewandten Seiten <äatt sind und die pinanaei" supekehrten Seiten rin^filrrai^e Yrirsnrün^e "bzw. :J*ole_f (2, 5, 8, 9) ?:aoen, din icorreEnondierend aufeinandei' ausgerichtet sind und avdsehen sich einen Luftspalt einsehlieSen, ucbei ,ioueils die eine oeiieibe Test an der Welle und die andere sum freien Durchtritt der Welle fest; am i-Ianchinenge-.:iell 1;-; angebracht sind- wobei üic Ankerßchoibe (.·|) innen'einen im '^ucrccnnitt rcc'-.tociri^en VorGTjruno (v) ~ucna ;va,.cu einen i-ich nacti oben konisch vi:r.'""."o:"deii Vcrsnruivr liat, enxG'.ireckend ein-em iconischen rermanentiiis/pieten ( .) am Au:.':enu?nfan5 der ferroma<metischen Tra,7ncheibe (i ) und einem inneren ;~or'.anentnadlet (-i) mit aa,i;o3oar-"^rd:er Innenseite; wobei die Haunttra^last von de::i irniei^en rermanenx-iaapiet (j) herrührt -· •„•obei die Konriensationsvc-rrichtung zwei ?ennanentmagnetanordnunp;en(i'l a, 1-^ a; 1-1 b, 1'j b)auf\:eint, die einn zentrale Οΐΐττνιην zum freien Diirchtritt der WeQIe (io) haben iinu fest am Gentel] (V.') .izonxipxt sind, zwisenon welchen eine Scheibe (15) aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist, die fer-h auf der Welle (ic) sitzt und von den Permanentmagneten durch Luftf 5 Tu te de¹ 18") fretrennt ist -

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wobei Magnetsektoren (14 b) ,-jedes Hagnet system? voneinander durch nichtmagnetische Sektoren (14^f1) getrennt sind und wobei der magnetische Flui? im wesentlichen par? 11 el zur V/elle aber von Magnetsektor zu Hagnetsektor mit unterschiedlicher Polarität vorgesehen ist, und daß ein axiales Traglager(i1, 12) vorgesehen ist, auf welchem die Last bei Stillstand oder niedriger Drehzahl aufruht.

2. Vorrichtung nach Ausbruch 1 mit zwei im Abstand voneinander31 f der Welle (ίο) angeordneten magnetischen Trag- und Zentriervorriohtungen(A, θ), dadurch gekennzeichnet,

daß die Konmensationsvorrichtung zum Gewichtsausgleich zwischen den Trag- und Zentriervorrichtungen(A, C) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

da'? die Permanentmagnete(i4 a, I4 b) der Komoensationsvorricbtnng (β) abv;echselnder Polarität die Form gleichschenkliger Tranezuide haben und an der einen Flachseite einer ferromagnetisehen 'Pragscheibe (15 a, 1"Ί b) sitzen, die am Gestell (19) fest sind.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Kompensationsvorrichtung zur Konstanthaltung der Höhenlage besteht aus zwei Scheiben (?o,a, 2o b) aus elektrfch leitendem Material, die eine konzentrische Öffnung zum freien Durchtritt der V/elle OcO haben und am Gestell (1^Q) befestigt sind und zwischen welchen eine Magnetanordnnng

BAD ORiGiNAl.

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(21) vorgesehen int, dip im gleichen Winkelabstand und durch nicht. magnetische Sektoren voneinander getrennb Permanentmagnete koaxialer Ader-jeweils abwechselnder Polarität aufweisen und die feat an der Welle (io) angeordnet sind, wobei die obere leibende Scheibe (?o) einen Lagerring (12) trärrb zuni Auf ruhen eüies an der \7eü]e (ic) festen Ringes, webei Stillstand oder niederer Jfrehzahl.

5. Vorrichtun·? nach Anspruch 4»
dadurch gekennzeichnet,

daß die axiale Korapensationsvorrichtung (2o a, 2o b, 21) zv/ischen zwei Trag- und ?.entriervorrichtungen angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gnkennzeichni,

daO die Magnetsektorender Magnetanordnung (21) die Form gleichschenkliger Trapezoide haben, wobei die jeweils kleinere Seite der Welle (io) zugewandt ist und wobei die Hagnetsektoren in ein und dergleichen horizontalen Ebene liegen.

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