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Magnetläufermotor Die Erfindung betrifft einen Magnetläufermotor
mit einem einen drehbar gelagerten, mehrpoligen Permanentmagneten aufweisenden Läufer
und mit einem eine wechselspannungsgespeiste Erregerwicklung aufweisenden Stator.
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Derartige Magnetläufermotoren sind bekannt und werden beispielsweise
in Form von selbstanlaufenden Magnetläufermotoren als Antriebsmotoren für Uhren
verwendet. Beispielsweise ist in dem Werk "Handbuch für Uhren", Bd. 3, Ziff. 4.2,
Abb. 42 212 d ein selbstanlaufender Synchronmotor mit einem unsymmetrischen permanentmagnetischen
Sternläufer beschrieben, dessen zahnartige Pole mit weichmagnetisehen Polstücken
zusammenwirken, die mit Hilfe einer wechselspannungsgespeisten Erregerwicklung magnetisierbar
sind. Aus dem gleichen Werk (Abb. 42 212 b) sind auch Magnetläufer mit eingeprägten
Polen oder aufgesetzten Flachmagneten bekannt, bei denen auf Polleitkörper verzichtet
werden kann.
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Nachteilig an den bekannten Magnetläufermotoren ist es, dass ihr Rotor
und/oder ihr Stator relativ kompliziert aufgebaut sind und dass ihr Wirkunflsgrad
häufig zu wünschen übrig läßt. Ausserdem ist oft ein beträchtlicher zusätzlicher
Aufwand notwendig, um die für den Selbstanlauf erforderlichen Unsymmetrien zu erreichen.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen verbesserten Magnetläufermotor anzugeben, der sehr einfach aufgebaut ist,
dennoch einen guten Wirkungsgrad aufweist und ausserdem einen kontinuierlichen Antrieb
des Zeigerwerkes liefert. Dabei soll ausserdem die Möglichkeit bestehen, den Motor
in Ausgestaltung der Erfindung als selbstanlaufenden Magnetläufermotor auszubilden.
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Diese Aufgabe wird bei einem selbstanlaufenden Magnetläufermotor der
eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Läufer einen
Kreisring mit permanentmagnetischen Sektoren mit alternierend entgegengesetztem,
parallel zur Drehaschse (A-A) orientiertem magnetischem Dipolmoment aufweist und
vorzugsweise auf seiner der Erregerwicklung abgewandten Seite eine Weicheisenplatte
zur Führung des Magnetflusses aufweist, und daß die Erregerwicklung oval ausgebildet
ist.
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Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Magnetläufermotors
besteht darin, dass der täuf er mit seinem ?ermanentmagneten und der Weicheisenplatte
einfacher und billiger hergesteilt werden kann und dass der Stator eine Erregerwicklung
aufweist, die ebenfalls preiswert herstellbar ist und leicht mit einer unmagnetischen
bzw. nicht magnetisierbaren TrSgerplatte, insbesondere der Platine einer Uhr verbunden
werden kann. Bei Verbindung der Erregerwicklung mit dem Substrat einer integrierten
Schaltung einer eJektronischen Uhr ist es ferner besonders vorteilhaft, dass die
Erregerwicklung und die angelöteten Drahtenden mit der integrerten Schaltung eine
Montageeinheit bilden wodurch ein günstiges Montieren und Demontieren des Motors
ermöglicht wird.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist es ferner vorteilhaft,
wenn
der Magnetläufermotor als selbstanlaufender Magnetläufermotor mit zum Stator gehörigen
Pol stücken ausgebildet und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Polstücke etwa
halbmondförmig ausgebildet sind und an den Enden der Erregerwicklung derart unsymmetrisch
zur Länsachse derselben angeordnet sind, dass sich einander im Bereich der Enden
der Erregerwicklung bezüglich des Läufers diametral gegenüber liegende, in der Draufsicht
keilförmige Luftspalte ergeben, die sich ausgehend von ihrer breitesten Stelle in
Richtung des Drehsinns des Läufers verengen.
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Eine weitere günstige Möglichkeit bei einem Magnetläufermotor gemäß
der Erfindung, einen Selbstanlauf zu erreichen, besteht darin, dass als Pol stück
und Bestandteil des Stators ein Permanentmagnet vorgesehen wird, welcher den Rotor
in einer solchen Lage festlegt, dass beim Einschalten des Erregerstroms ein optimales
Anlaufdrehmoment erreicht wird.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn bei einem Magnetläufermotor
gemäß der Erfindung der Läufer eine Nabe aufweist,
die vorzugsweise
aus Kunststoff besteht und einstückig mit den übrigen Elementen des Läufers veraossen
oder verklebt werden kann und die auf der der Erregerwicklung abgewandten Seite
gleichzeitig ein Ritzel für einen Uhrantrieb bildet.
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Bei dieser Ausgestaltung kann der Läufer drehbar auf einer Welle gelagert
werden, wobei sneziell eine Konstruktion bevorzugt wird, bei der das eine Wellenende
in einer Trägerplatte, insbesondere in der Frontplatte einer Uhr drehfest gehaltert
ist, während das andere Wellenende einen verdickten Kopf bildet, welcher den Läufer
in axialer Richtung in seiner Lage sichert.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung erden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder snd Gegenstand von Unteransprüchen.
Es zeigen; Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
eines Magnetläufermotors gemäß der Erfindung.
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Fig 2 einen Querschnitt durch den Motor gemäß Fig. 1 längs der Linie
2-2 in dieser Figur; Fig. 3 schematische, der Figur 2 entsprechende Darstellungen
a-d des Motors gemäß Fig. 1 und 2 für verschiedene Läuferstellungen zur Erläuterung
der Motorfunktion ; Fig. 4 ein Schematisches Diagramm zur Brläuterung des Verlaufs
des Drehmoments .hk in Abhängigkeit vom Läufer winkel; Fig. 5 ein stark sgbematisiortes
Schaltbild zuf Erläuterung
einer Treiberschaltung für einen Magnetläufermotor
gemäß der Erfindung und Fig. 6 Diagramme zur Erläuterung des zeitlichen Verlaufs
a - c wesentlicher Spannungen beim. Betrieb eines erfindungsgemäßen Motors.
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Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen längs der Linie 1-1 in Fig. 2 verlaufenden
Längs- bzw. Axialschnitt durch einen selbstanlaufenden gnetläufermotor gemäß der
Erfindung, welcher einen drehbar gelagerten Läufer oder Rotor 10 und einen gegenüber
dem Läufer feststehenden Stator 12 aufweist. Der Rotor 10 weist als Hauptelement
einen kreisringförmigen Permanentmagneten 14 auf - bzw. einen kreisscheibenförmigen
Permaner.tmagneten 14 mit Mittelöffnung - welcher beim Ausführungsbeispiel vier
in Umfangsrichtung mit alternierender Polung aufeinanderfolgende parallel zur Rotorachse
A-A magnetisierte sel:torfömige Teilmagnete besitzt, deren Nordpole in üblicher
Weise mit N und deren Südpole mit S bezeichnet sind. Mit der dem Stator 12 abgewandten
Seite des Permanentmagneten 14, d. h. in Fig. 1 mit der Oberseite des Permanentmagneten
14, ist eine Weicheisenplatte 16 verbunden, welche als Shunt für die Führung des
magnetischen Flusses dient.
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Der Rotor 10 weist ferner eine Nabe 18 auf, die ein zylindrisches
Teilstück 18a besitzt, welches drehfest in die >littelöffnung der Platte 16 und
des Permanentmagneten 14 eingesetzt ist. Angrenzend an die Alittelöffnung ist die
Nabe 18 ferner mit einem umlaufenden Ringflansch 18b versehen, an den sich nach
aussen bzw. oben ein weiteres Teilstück der Nabe 18 anschließt, welches nachstehend
als Ritzel 18c bezeichnet ist.
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Für die drehbare Lagerung des Rotors 10 ist eine Welle 20 vorgesehen,
deren eines Ende drehfest in ein Auge einer Trägerplatte
22 eingesetzt
ist und an deren anderem - in Fig. 1 unterem - Ende ein verstärkter Kopf 20a vorgesehen
ist, der den Rotor 10 in axialer Richtung in seiner Lage bezüglich der Trägerplatte
22 sichert, wobei die Träqerplatte 22 bei Verwendung des erfindungsgemcßen Rotors
in einem Uhrar.trieb beispielsweise die Frontplatte einer Uhr sein kann.
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-'ie Nabe 18 bildet also gleichzeitig ein Lager für den Rotor 10 und
ein Ritzel für einen von dem erfindungsgemäßen Motor anzutreibenden Getriebezug
(nicht dargestellt).
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Der Stator des erfindungsgemäßen Motors besteht aus einer ovalen Erregerwicklung
24 und us zwei aus Weicheisen bergestellten Polstücken 26. Die Form der Erregerwicklung
24 und der Polstücke 26 wird aus Fig 2 besonders deutlich. Man erkennt, dass die
Polstücke 26 im wesentlichen halbmondförmig ausgebildet sind und dass die Erregerwicklung
24 eine längliche, an den Enden abgerundete Mittelöffnung 28 begrenzt, an deren
Enden die Polstücke 26 angeordnet sind,und zwar derart, dass sich zwischen der Projektion
des Umfangs des Rotors 10 in die Ebene der Polstücke 26 und dem inneren Rand 26a
der Polstücke 26 keilförmige Spalte 3C ergeben, die sich beim Ausführungsbeispiel
in Ümfangsrichtung des Rotors 10 in Gegenuhrzeigersinn verbreitern, wobei die keilförmigen
Spalte 30 spiegelsymmetrisch zum Durchstosspunkt der Achse A des Rotors 10 verlaufen.
Man erhält also den einen Spalt 30 durch Spiegelung des anderen Spalts an der Rotorachse
A-A.
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Der Stator 12 ist schließlich insgesamt bezüglich der Rotorachse A-A
zentriert und mit einer Trägerplatte 32 verbunden, die in der Praxis beispielswiese
eine Platine einer Ührwerks Oßer das Substrat einer elektronischen Schaltung einer
ühr sein kann. Die gewünschte Höhe des Luftspalts s zwischen dem Rotor 10 und dem
Stator 12 wird in der Praxis nach der Befestigung
des Stators
12 an der Trägerplatte 32 durchgeführt, wenn letztere an der Trägerplatte 22 befestigt
wird, w wobei gleichzeitig auch die gewünschte Ausrichtung des Stators 12 gegenüber
der Rotorachse A-A herbeigeführt wird.
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Nachdem vorstehend anhand der Fig. 1 und 2 der Ausbau eines erfindungsgemäßen
Magnetläufermotors detailliert beschrieben wurde, soll nunmehr die Funktion dieses
Motors anhand der Fig.
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3a - 3d näher erläutert werden. In diesen Figuren bz. in den Teilfiguren
der Fig. 3 sind jeweils die konturen der Erregerwicklung 24 und des Rotors 10 bzw.
des Permaner.tmagneten 14 angedeutet, wobei ausserdem jeweils die Lage der permanentmagnetischen
Sektoren bzw. der Teilmagneten des Permanentmagneten 14 angedeutet ist. Weiterhin
sind für jeden der Sektoren bzw. Teilmagneten jeweils folgende Größen in Form von
Vektoren eingezeichnet: die sog. Laplace-Kraft F; der Strom I, die magnetische Induktion
B.
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Betrachtet man zunächst Fig. 3a der Zeichnung, so ist in dieser Figur
die Flittelachse der Sektoren, deren Nordpol dem Betrachter zugewandt ist - in diesen
Sektoren sind die magnetischen Feldlinien nach oben aus der Zeichenebene herausgerichtet,
was durch das Symbol " " angedeutet ist, während die magnetischen Feldlinien in
nen Südpolsektoren senkrecht zur Zeichenebene nach unten verlaufen, was durch das
Symbol "e" angedeutet ist.- gegenüber der Längsmittelachse B-B der Erregerwicklung
24 um den Winkel γ 1 im Uhrzeigersinn verdreht.
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Daraus resultiert folgende Situation hinsichtlich der Drehmomente:
Ma1
+ Na2 + Ma3 = Ma
wobei Mai bis Ma3 die Einzeldrehmomente sind, die sich zu dem Antriebsdrehmoment
Ma addieren und wobei jedes der Momente 2F nxrn mit den Radien rn von der Rotorachse
A-A zum Angriffspunkt der entsprechenden Laplace-Kraft Fn Man sieht, dass bei der
vorstehend angegebenen Beziehung das Drehmoment Ma2 den Drehmomenten Mai 1 und Ma3
entgegengesetzt ist, dass aber dennoch ein resultierendes Antriebsmoment Ma verbleibt,
dessen Größ von der speziellen Lage der Magnet Pol flächen zu dem vom Rotor überdeckten
Teil der Erregerwicklung abhängt; eine Lage, die vor allem in der Startphase von
den Polstücken 26 bewirkt wird, in-dem eine zur Erregericklung symmetrische Lage
des Rotors, wie es für 1 = 0 der Fall wäre, verhindert wird infolge der gegenseitigen
magnetischen Wirkung zwischen Dauermagnetpolen und weichmagnetischen polstücken
und des von den Erregerwicklungen erzeugten magnetischen flusses, wobei ein ähnlicher
Bffekt erzielt wird wie bei den von Lavet entwickelten Schrittmotoren.
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In der Teilfigur 3b ist die Mittelschse der N-Sektoren gegenüber der
Längsachse der Erregerwicklung 24 um den Winkel γ - #/4 verdreht. Bei diesem
Drehwinkel des Rotors 10 gegenüber dem Stator 12 ergibt sich das maximale Antriebsdrehmoment
Mmax' und zwar gemäß folgender Beziehung ;
die sich ohne weiteres aus der Teilfigur 3b ergibt, die deutlich zeigt, dass die
Laplace-kräfte F in allen vor Sektoren im Sinne eines Drehmoments im Uhrzeigersinn
wirken, wobei ausserdem die Radien r für alle vier Kräfte F gleich sind.
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In entsprechender Weise gelten für einen Drehwinkel γ 3= #/2
gemäß Fig. 3c folgende Beziehungen : Mc1 + Mc2 = Mc
und für den Drehwinkel γ =#/2 +γ Fig. 3d folgende Beziehungen: Mdl +
Md2 + M d3 = Md
Im Endeffekt wird gemäß Fig. 4 der Zeichnung in Abhähgigkeit vom Drehwinkel γ
ein etwa sinusförmiger Verlauf des Drehmoments Al erreicht, wobei sich das Drehmoment
M = f ( γ Rotor) zwischen M = 0 und M = Mmax ändert. Die Drehmomentenkurve
gilt dabei für den unbelasteten Motor ohne Reibungsverluste.
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Aufgrund der Trägheit des Rotors des Magnetläufermotors gilt ferner
für das gesamte Ausgangsdrehmoment des Rotors folgende Gleichung: Mt = 1/2 Mmax
Für die Speisung des erfindungsgemäßen Magnetläufermotors hat sich eine Treiberschaltung
gemäß Block 40 in rig. 5 als vorteilhaft erwiesen, wobei dieser Block 40 mit einem
weiteren Block 50 verbunden ist, welcher den
die synchronisationsfreauenz
erzeugenden Quarzoszillator 52 mit Frequenzteiler und die zugehörigen logischen
Schaltkreise 54, 56 - Steuerlogik 1 und 2 - für die Steuerung bzw. Synchronisierung
der Treiberschaltung 40 umfaßt. Der Quarzoszillator 52 mit Frequenzteiler und die
logischen Schaltkreise 54, 56 sorgen dafür, dass die bipolaren Motorsteuerimpulse
mit der cuarzstabilisierten Takt- bzw. Steuerfrequenz von beispielsweise 32 Hz synchronisiertwerden,
die durch Herunterteilen der Quarzfrequenz erhalten wird, wodurch eine Motordrehzahl
von 8 Hz erreicht wird.
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m einzelnen bewirkt die Treiberschaltung 40, dass die von dem rotierenden
magnetischen rel4 des Rotors 10 in die Erregerwicklung 24 induzierte Spulenspannung
UIND zur Steuerung der Poiaritätsänderungen des Stroms durch die Erregerwicklung
24, der ein Kondensator C2 parallel geschaltet ist, ausgenützt wird, indem abwechselnd
zwei Transistoren T1 und T3 bzw. zwei Transistoren T2 und T4 gesperrt werden. Der
Schaltzustand der Transistoren T2 und T3 wird ausserdem bestimmt durch den Schaltzustand
der Transistoren T5 und T6, die von Signalen Q bzw, # des Steuerkreises 54 angesteuert
wurden und den Motorantriebsstrom erst dann durchstellen, wenn das Signal O eine
logische "1" bzw. L ist und die Transistoren T5 und T6 hochomig werden (Fig. 5).
Im Nulldurchgang der Induktionsspannung gel-angt über einen mit den Kollektoren
der Transistoren T1 und T4 verbundenen Kondensator C3 ein Rückmeldeimpuls R m an
einen Eingang des Steuerkreises 56, woraufhin praktisch verzögerungsfrei ein Rückstell-Nadelimpuls
RST von dem Steuerkreis 56 - Steuerlogik 2 - zum Steuerkreis 54 - Steuer logik 1
- ausgesandt wird
und die Signale O, Q zurückstellt, so dass die
Treiberschaltung 40 für das Einschalten des Antriebs impulses der nächsten Halbwelle
(Fig. 5, 6) vorbereitet wird. Der Einschaltpunkt des Antriebsimpulses liegt an der
positiven Flanke des Q-Sicnals der Steuerlogik 1, das Abschalten erfolgt am Nulldurchgang
der Spuleninduktionsspannung, so dass die Einschaltdauer des Antriebsimpulses bestimmt
wird von der lastabhängigen Phasenverschiebung zwischen der sinusförmigen Induktionssnannung
und dem Rechteck-Steuerimpuls. Eine größere Last an der rslotor welle läßt die Induktionsspannung
stärker nacheilen und vercrößert die Einschaltdauer, die höhere zugeführte Energie
hält die Motordrehzahl trotz vergrößerter Last. Damit besteht die Möglichkeit, den
Energiegehalt der dem Motor zugeführten Treiberimpulse in Abhängigkeit von der Last
so zu variieren, dass der Stromverbrauch jeweils automatisch an die vorhandene Last
ange-?Gt wird. Das Umschalten der Treiberimpulse wird von der Sculeninduktionsspannung
gesteuert und erfolgt damit in der jeweils günstigen Stellung des Rotors bezogen
auf die AntriebssFule.
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Das Anlaufverhalten des Motors wird durch einen mit den Sollektoren
der Transistoren T1 und T4 einerseits und mit den Kollektoren der Transistoren T5
und T6 andererseits verbundenen schwingungserzeugenden Kondensator C1 und durch
einen über einen Transistor T7 zugeführten zusätzlichen Treiberimpuls S verbessert.
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Die Steuerelektronik verhindert ausserdem ein Abschalten des Motors
durch einen Reset-Impuls bei zu langsamem Lauf vor dem nächsten Reset-Impuls, wenn
mehr als ein Quarzimpuls seit dem vorhergehenden Reset-Impuls angekommen ist.
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In der Praxis wurden günstige Ergebnisse mit einem rotor erzielt,
dessen Spulenlänge in Richtung der Achse B-B nur etwa 23 mm betrug, während der
Aussendurchmesser des Rotors bei etwa 10 mn lag. Dieser Motor, dessen Stromaufnahme
in unbelasteten Zustand 55iA und im belasteten Zustand 100µA betrug und der ein
Ausgangsdrehmoment von 0,7 pN lieferte, arbeitete bei einer Drehzahl von 8 Hz mit
einem Wirkungsgrad von 26 %, was für Motoren der betrachteten Art ein durchaus günstiger
Wert
ist.
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Fig. 6a zeigt für die anhand der Figur 5 erläuterte Treiberschaltung
den Verlauf der induzierten Spulenspannung UIND (f'= 16 Hz), während Fig. 6b die
Motorspannung U,Og (f = 16 Hz) zeigt. Schlie3lich zeigt Fig. 6c die von dem Pflock
50 gelieferte Steuerimpulsfolge, nämlich eine Rechteckimpulsfolge mit einer quarzstabilisierten
Frequenz von 32 Hz.
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Während vorstehend als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
ein selbstanlaufender Magnetläufermotor mit weichmagnetischen Polstücken in Verbindung
mit seiner zugehdr4-gen Steuerung ausführlich erläutert wurde, soll an dieser Stelle
noch einmal darauf hingewiesen werden, dass die der Erfindung zugrundeliegenden
Prinzipien auch bei einem nicht-selbstanlaufenden Magnetläufermotor ohne weichmagnetische
Polstücke mit Vorteil verwirklicht werden können, wobei die elektrische Ansteuerung
des Motors, welche vorstehend beschrieben wurde, unverändert beibehalten werden
kann, während im übrigen ergänzend geeignete mechanische oder elektromechanische
Hilfseinrichtungen vorgesehen sind, um den Motor "anzuwerfen".
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Weiterhin besteht in Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit,
einen selbstanlaufenden Magnetläufermotor in der Weise auszubilden, dass anstelle
der weichmagnetischen Polstücke 26 ein Permanentmagnet /60 vorgesehen wird, wie
er in Fig. 2 gestrichelt angedeutet ist. Mit Hilfe eines solchen Permanentmagneten
60 ist es möglich, den Rotor 10 beim Auslaufen in einer Lage festzuhalten, in welcher
sich beim erneuten Einschalten des Erregerstroms für die Erregerwicklung 24 das
maximale Anlaufdrehmoment ergibt, so dass der Motor von selbst anlaufen kann. Bei
dem betrachteten
Ausführungsbeispiel mit einem vierpoligen Permanentmagneten
14 ist diese Bedingung dann erfüllt, wenn die Linie, auf der der Permanentmagnet
60 liegt und die die Drehachse A-A des Rotors lo schneidet, mit der Längsachse B-B
der Erregerwicklung 24 einen Winkel g von f-/4 bzw. einen Winkel von 450 oder einen
etwas größeren Winkel einschließt.