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Kollektorloser Gleichstrommotor (Zusatz zu P 21 43 752.5) Die Erfindung
betrifft einen kollektorlosen Gleichstrom-Motor mit einer Strichspur, einer Vorrichtung
zur optischen Abtastung dieser Strichspur und mit einem Sensor zum Umwandeln der
optischen Signale in elektrische Signale, insbesondere nach Patentanmeldung P 21
43 752.5 (DT-127). Unter kollektorlosen Gleichstrommotoren sollen hierbei neben
Rotoren mit gleichförmigen Antriebsmoment, z.B. wie im folgenden beschrieben, Motoren
zum Direktantrieb von Plattenspielern, insbesondere auch Schrittmotoren verstanden
werden. Der Begriff Strichspur soll alle Arten von Rasterspuren umfassen, vorzugsweise
aber gleichförmig geteilte Strichspuren zur Drehzahlerfassung.
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Besonders bei langsamlaufenden Motoren, deren Drehzahl geregelt wird,
ist man vor die Aufgabe gestellt, die Winkelgeschwindigkeit ständig zu messen, um
schon kleinste Drehzahl abweichungen sofort ausregeln zu können.
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Es ist aus der DOS 1907822, Fig.3, bekannt, hierzu eine feingeteilte
Strichspur entsprechender Genauigkeit zu verwenden und diese berührungslos, z.B.
awf optischem Wege, abzutasten. Einer Anwendung dieses Prinzips in preiswerten Serienprodukten
standen bisher erhebliche Schwierigkeiten entgegen, die am Beispiel eines Reglers
zur Regelung der Drehzahl eines direkt angetriebenen Plattenspielers im folgenden
dargelegt werden sollen: bei Plattenspielern der oberen Qualitätsklasse wird heute
unter anderem ein Gleichlauffehler von unter o,1% gefordert. Ein Drehzahiregler,
der diese Bedingungen erfüllt, setzt eine entsprechend genaue Drehzahlerfassung
voraus. Dabei muß das Meßwerk eventuellen Drehzahländerungen sehr rasch folgen können,
was
nur durch ein hohes Auflösungsvermögen, das heißt bei einer
Strichspur durch feine Teilung, erreicht werden kann. Daraus ergeben sich folgende
Anforderungen an eine Strichspur zur direkten Erfassung der Drehzahl am Plattenteller
eines Plattenspielers: 1. Die Exzentrizität des Teilkreises relativ zur Rotationsachse
des Plattentellers darf nur ca. + o,o5% betragen, das heißt, bei einem Radius der
Strichspur von z.B. 50 mm darf nur eine Exzentrizität (einschl. Lagerspiel) von
ca.
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o,o2 mm auftreten.
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2. Die Teilung der Strichspur darf über einer halben Umdrehung nur
einen Summenfehler von max. + 4 Bogenminuten aufweisen.
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3. Wenn beide obengenannten Toleranzgrenzen aus genutzt werden, müssen
Abtastung und Regelung nahezu fehlerfrei und trägheitslos erfolgen. Es hat sich
in Versuchen herausgestellt, daß zur hinreichenden Erfüllung der letzten Forderungen
mehr als 300 Striche am Umfang vorhanden sein sollten, um eine hinreichende- Häufigkeit
der Information über die momentane Drehzahl zu erhalten und um die Zeitkonstanten
der nötigen Siebglieder genügend klein wählen zu können. Die Striche der Strichspur
liegen daher wegen des begrenzten Umfang sehr eng nebeneinander, was deren Abtastung
mit einfachen Mitteln erschwert.
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Selbst wenn also eine diesen Forderungen genügende Strichspur vorhanden
ist, stellt sich immer noch das Problem, diese Strichspur zuverlässig und genau
abzutasten, und zwar mit geringem Aufwand. Anordnungen mit semi-transparentem Spiegel,
der das von der Strichspur reflektierte Licht zu einer Foto-Diode ablenkt (vergl.z.B.
die DOS 2 160 679, Fig.4), scheiden z.B. bei Motoren für den Konsumgüter-Sektor
aus, weil sie viel zu aufwendig, empfindlich und teuer sind. Ebenso sind lichtdurchlässige
Strichspuren (vergl. z.B. die US-PSen 2 370 ooo oder 3 359 474) viel zu aufwendig.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Abtastvorrichtung für
eine Strichspur zu schaffen, welche preiswert mit Mitteln der Massenfertigung herstellbar
ist.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs qenannten kollektorlosen
Gleichstrom motor dadurch erreicht, daß die Strichspur auf einer vorzugsweise ebenen
Fläche aufgebracht ist und in an sich bekannter Weise zwischen ihren wenig, nicht
oder diffus reflektierenden Abschnitten Abschnitte mit stark gerichteter Reflekti
on aufweist und daß etwa parallel zu dieser Fläche nebeneinander eine die Strichspur
beleuchtende Lichtquelle und ein Lichtaufnahmeglied des zum Umwandeln der optischen
Signale in elektrische Signale dienenden Sensors angeordnet sind.
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Man erhält also eine Anordnung ohne kostspielige optische Glieder,
bei der Lichtquelle und Foto-Sensor auf derselben Seite der Strichspur liegen können.
Mit besonderem Vorteil geht man dabei so vor, daß die Lichtquelle als Licht-Emitterdiode
und der Sensor als Fototransistor ausgebildet ist, und daß Licht-Emitterdiode und
Fototransistor nebeneinander angeordnet sind. Durch Verwendung der an sich bekannten
modernen opto-elektronischen Bauelemente gelingt es also, die gesamte Abtastanordnung
genauso aufzubauen wie eine übliche gedruckte Schaltung und - mit Ausnahme einer
gegebeebenfalls erforderlichen Blende - ohne irgendwelche zusätzlichen optischen
Hilfsmittel auszukommen, so daß in der Fertigung für die Abtastung so gut wie keine
Mehrkosten entstehen. Der Unterschied wird besonders deutlich beim Vergleich mit
den Abtastanordnungen nach den eingangs genannten Schriften. -Selbstverständlich
kann das Licht zum Beispiel auch über einen Lichtleiter (Akrylglas; Glasfaserbündel)
zugeführt werden, wobei dann als Lichtquelle die Austrittsfläche dieses Lichtleiters
anzusehen ist. Ebenso kann das reflektierte Licht über einen solchen Lichtleiter
zum Sensor geführt werden, wobei dann die Li,cht-Lintrittsfläche des Lichtleiters
als Lichtaufnahmeglied des Sensors anzusehen ist. Wegen der unvermeidlichen LIchtverluste
in solchen Lichtleitern wird aber eine direkte Anordnung von Lichtquelle und
Sensor
auf er Schaltplatine bevorzugt.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotors, gesehen längs der Linie
1-1 der Fig.2 Fig.2 eine Draufsicht auf den Stator des Motors nach Fig.1, gesehen
längs der Linie 2-2 der Fig.1, Fig.3 eine Darstellung der elektrischen Schaltung
der in Fig.2 dargestellten Statorspulen, Fig.4 eine Draufsicht auf den mit einer
Strichspur versehenen Rotor des Motors nach Fig. 1, gesehen längs der Linie 4-4
der Fig.3, Fig.5 2 Schaubilder zum Erläutern der Erfindung, Fig.7 eine Darstellung
einer alternativen Anordnung von Lichtquelle und Fotosensor, und Fig.8 den prinzipiellen
Aufbau einer Regelschaltung für den Motor nach Fig.1, wobei der DrehzahFIstwert
mittels einer erfindungsgemässen Abtastanordnung erfasst wird.
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Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines in seiner Gesamtheit mit
16 bezeichneten erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotors, der als Direktantriebsmotor
für einen Plattenspieler ausgebildet ist und sich im Betrieb mit 33 1/3 oder 45
Umdrehungen pro Minute dreht. Dieser Motor hat ein stationäres hohles Formstück
17 mit einem Lagertragrohr 18 und seitlichen Tragarmen 19, welch letztere an ihren
Enden Bohrungen 20 zur Befestigung an einem Gerät, zum Beispiel dem Chassis eines
Plattenspielers, aufweisen. Dieser Motor ist weitgehend gleich aufgebaut wie der
Motor nach der DOS 2 143 752, auf deren Inhalt zur
Vermeidung von
Längen ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Im Lag.errohr 18 ist eine Messingbuchse 21 eingegossen, und in dieser
Buchse 21 ist eine Welle 23 gelagert, deren unteres Ende mit einer Abrundung 24
versehen ist, die auf einer als Axiallager dienenden Kunststoffplatte 28 aufliegt,
welche ihrerseits in einer Ausnehmung 29 eines Deckelteils 30 auf einer Gummi -platte
31 aufliegt. Das Deckelteil 30 dient als unterer Abschluß einer Ausnehmung 32 des
Formstücks 17 und ist mittels Schrauben 33 an letzterem befestigt. Innerhalb der
Ausnehmung 32 ist auf der Welle 23 ein Zahnrad 34 aus Kunststoff befestigt, das
durch eine seitliche i)'ffnung 35 der Ausnehmung 32 hindurch mit einem nicht dargestellten
anderen Zahnrad kämmen kann, z.B.
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bei einem Plattenspieler mit der Mechanik für den Tonarm.
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Eine Scheibe 36, die als axiales Hilfslager dient, ist zwischen der
Oberseite des Zahnrades 34 und der Unterseite des Lagertragrohres 18 angeordnet.
Auf das obere Ende der Welle 23 ist eine Stahl buchse 40 aufgepreßt, die an ihrem
Umfang nutenartige Vertiefungen 41 aufweist, in denen ein etwa glockenförmiges Aluminium-Gußteil
42 verankert ist. In das Gußteil 42 ist eine Platte aj aus Weicheisen eingegossen,
und auf dieser ist ein Magnetring 44 aufgeklebt. Der Magnetring 44 ist axial abwechselnd
entgegengesetzt polarisiert, also z.B. Nord-Süd, Süd-Nord, Nord-Süd usw. In den
Figuren 1 und 4 ist dies schematisch durch die Buchstaben N und S angedeutet. Der
dargestellte Magnetring weist insgesamt acht solcher verschieden gerichteter Magnete
auf, die, wie dargestellt, gleichmäßig auf ihm verteilt sind.
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Der nach unten ragende Rand 46 des Gußteils 42 weist zum Auswuchten
dienende Bohrungen 47 auf. Ferner ist ganz unten an ihm eine Schulter 48 vorgesehen,
gegen die eine aus Weicheisen bestehende ringförmige magnetische Rückschlußplatte
49 anliegt, die durch die Kraft des Magnetrings 44 nach oben gezogen wird.
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Beim dargestellten etwa im Maßstab 1.1 gezeichneten Motor 16 beträgt
diese Kraft etwa 3,5 kp. Zum Halten der Rückschlußplatte 49 bei der Montage sind
im Rand 46 mehrere seitliche
Montageöffnungen 53 vorgesehen, um
die Platte 49 sanft auf die Schulter 48 aufsetzen zu können und um sie gegebenenfalls
zur Reparatur abnehmen zu können. Im betriebsfertigen Zustand können diese Uffnungen
53 in geeigneter Weise lichtdicht verschlossen sein. Die Platte 49 dreht sich im
Betrieb zusammen mit dem in seiner Gesamtheit mit 54 bezeichneten R-otor, da sie
an der Schulter 48 abgestützt ist und mit dieser in Reibverbindung steht. Die Kraft
des Magnetrings 44 wirkt also nicht auf das Axiallager 24,28. Letzteres hat vielmehf
nur das Gewicht'des Rotors 54, der Platte 49 und gegebenenfalls von Zusatzteilen
zu tragen, die auf dem Rotor 54 aufliegen, also z.B. des Plattentel 1 ers.
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Eine Buchse 56 des in seiner Gesamtheit mit 55 bezeichneten Stators
ist auf die Außenseite des Lagertragrohres 18 aufgepreßt. Der Stator 55 kann auch
auf das Lagertragrohr 18 aufgeklebt sein oder sonstwie an ihm befestigt werden.
Die beiden Luftspalte zwischen Stator und Rotor sind mis 57 bezeichnet.
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Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die dem Stator 55 zugewandte Seite
des Rotors 54. Auf der Polfläche des Magnetrings 44 ist eine dünne, gerichtet reflektierende,
eloxierte Aluminiumfolie 60 befestigt, z.B. durch Kleben, und auf dieser Folie 60
ist eine nur schematisch angedeutete Strichspur 61 aufgebracht, welche sehr exact
geteilt ist, z.B. in 360 schwarze Striche 62 und dazwischen 360 reflektierende Striche
63 (blanke, eloxierte Aluminium-Oberfläche). Die äußere Begrenzung der Strichspur
61 ist durch eine strichpunktierte Linie 64, die innere Begrenzung durch eine strichpunktierte
Linie 65 angedeutet. Die Strichspur 61 ist im Rahmen der eingangs gestellten Forderungen
konzentrisch zur Drehachse des Rotors. (Die dargestellte Strichzahl ist aus zeichnerischen
Gründen kleiner als 360; der Magnetring 44 ist meist - infolge Herstellungstoleranzen
- nicht völlig rund, was ebenfalls in der Zeichnung angedeutet ist.) Der Aufbau
des Stators ist in Fig.2 dargestellt. Seine besonders vorteilthafte Spulenanordnung
ist Gegenstand einer etwa gleichzeitig
eingereichten Zusatzanmel
dung zur gleichen Stammanmeldung, und zwar weist dieser Stator nur 4 zweidrähtig
gewickelte Rundspulen 68, 69, 70 und 71 auf, deren Durchmesser etwa 250° ei.
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beträgt und bei denen die magnetisch aktiven Abschnitte eine Breite
von etwa 70° el. haben. Die Schaltung dieser Spulen und ihre Wickel abstände sind
in Fig. 3 eingetragen. Die Spulen 68 und 70 liegen sich diametral gegenüber, ebenso
die Spulen 69 und 71. Die Spulen 68 und 70 bilden zwei Stränge 117, 118 und die
Spulen 69, 71 bilden zwei Stränge 119, 120, wobei jew-i's i.'ier der beiden Stränge
mit gestrichelten Linien angedeutet ist.
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Charakteristisch für diese neuartige und auch im Rahmen der vorliegenden
Erfindung besonders vorteilhafte und güst--ge Spulenanordnung ist der große, freie
Raum zwischen den Spulen 69 und 70 einerseits und den Spulen 71 und 68 andererseits.
Da diese Spulen in vier Ausnehmungen einer Hartpapierplax '2 72 '' Vergußmasse 73
befestigt sind, wozu jede dieser Ausnehmungen dre mondsichelförmige Erweiterungen
74 aufweist, kann die llartpapierplatte 72 (oder ein sonstiges isol icrendes Formstück,
z.S. ein Spritzgußteil aus glasfaserverstärktem Kunststoff) direkt als Träger für
eine gedruckte Schaltung ausgenutzt werden.
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Im vorliegenden Falle ist die gedruckte Schaltung auf einer separaten,
dünneren Hartpap i erpl atte 76 angeordnet, welche sektorförmig ausgebildet ist
und zwischen die Spulen 69 und 70 (oder 68 und 71) hineinpasst. -Diese Platte trägt
2 Hallgeneratoren 77 und 78, die direkt vom Magnetfeld des Magnetrings 44 gesteuert
werden und deren Winkellage relativ zueinander und zu den Spulen 68 bis 71 in Fig.
3 genau angegeben ist. Naturgemäß könnten diese Hallgeneratoren jeweils auch um
n mal 180° el. gegenüber ihren dargestellten Lagen versetzt sein, wobei n = 1,2,.......
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Die Platte 76 trägt ferner drei Widerstände 81, 82, 83, die in den
Stromkreisen der Hallgeneratoren liegen, vgl. Fig. 8. Dadurch verringert sich die
Zahl der Leitungen, die über den Kabel strang 84 (Fig.1) in den Motor geführt werden
müssen, denn es müssen praktisch nur die fertigen Signale von dieser Platte 76 weggeführt
werden.
Ersichtlich kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch der gegenüberliegende
Sektor (zwischen den Spulen 68 und 71) in gleicher Weise ausgenutzt werden, z.B.
für eine zweite optische Abtastanordnung, deren Ausgangssignal mit dem der ersten
additiv gemischt wird, um Fehler durch Exzentrizität der Strichs pur 61 auszuglei-chen.
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Die Platte 72 trägt ferner eine Lichtquelle in Form einer Licht-Emitter-Diode
85, einen Lichtsensor in Form eines Fototransistors 86, und zwischen beiden eine
Blende 87, die eine direkte Einstrahlung des Lichts von der Lichtquelle 85 zum Sensor
86 verhindert. Die gesamte Platte 76 ist mittels drei Hohlnieten 88, 89, 90 auf
die Statorplatte 72 aufgenietet.
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Zur Erläuterung der Abtastung der Strichspur 61 wird auf die Figuren
5 - 7 verwiesen. Zunächst soll anhand der Figu A 7 darauf hingewiesen werden, daß
zwar die Verbindungslinie 93 der Teile 85, 87 zweckmässig mit einem Radiusvektor
zusammenfällt (wie in Fig. 2 dargestellt), daß aber diese Linie 93 mit einem Radiusvektor
94 jeden beliebigen Winkel beta zwischen o und 1800 einschließen kann und bei jedem
Winkel beta einwandfrei funktioniert.
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Fig. 5 zeigt die Abtastung für den Fall, daß der Ring 44 an verschiedenen
Stellen seines Umfangs verschiedene Höhe hat. Dadurch ergeben sich zwei verschiedene
Reflektionsebenen 95, 96; die gerichtet refl-ektierenden Stellen sind auch hier
mit 63 bezeichnet, die schwarzen Stellen mit 62. Man erkennt z.B. an dem Lichtstrahl
97, der an einer glänzenden Stelle 63 der Ebene 95 reflektiert wird und auf die
Lichtaufnahmefläche des Fototransistors 86 fällt und an dem Lichtstrahl 98, der
von der - weiterentfernten - Refl ekti onsebene 96 ebenfalls auf dieselbe Stelle
des Fototransistors 86 reflektiert wird und diesen in beiden Fällen leitend macht,
daß Höhenschwankungen der Polfläche des Rings .44 keinerlei Anzeigefehler ergeben,
da der geringe Wegunterschied des Lichts bei einer solchen Vorrichtung nur eine
Amplitudenschwankung ergibt, welche auf die Regelung keinen Einfluß hat.
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Fig.5 zeigt auch eine zweckmässige Form der Blende 87, die zusammen
mit ihrer Fortsetzung 87' ein geeignetes Eintrittsfenster 99 freiläßt. Ferner zeigt
Fig.5 auch, wie die Lichtaustrittsfläche der Lichtquelle 85 und die Lichteintrittsfläche
des Sensors 86 in einer Ebene 176 liegen, die parallel den Ebenen 95 und 96 ist.
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Geringe Weichungen von dieser Parallelität schaden ebenfalls nicht-,
wie Fig. 6 zeigt, wo die Reflektionsebene 1o2 um einen kleinen Winkel. alpha von
der Parallelität abweicht. Auch hier reflektiert eine Fläehe 63 das Licht von der
Lichtquelle 85 auf den Sensor 86.- Wenn in Fig.5 sich der Rotor etwas gedreht hat,
so daß der Lichtstrahl 97 oder 98 auf einen schwarzen Strich (oder eine diffus reflektierende
Stelle) trifft, erhält der Fototransistor 86 wesentlich weniger Licht, wodurch er
gesperrt wird.
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(Wie Fig. 1 zeigt, ist das Innere des Motors 16 nach außen hin abgeschlossen,
so daß von außen praktisch kein Störlicht eindringen kann.) Bei dem Fototransistor
86 genügen bereits Schwankungen der Beleuchtungsstärke im Verhältnis 1:3, um ausreichende
Signale am Kolle-ktor des Fototransistors 86 zu erhalten.
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Bemerkenswert an der vorliegenden Anordnung ist auch die Verwendung
von Hall generatoren 77, 78 für die Kommutierungun-d die Verwendung einer opto-elektronischen
Einrich.$-u-n--g- die Drehzahlerfassung, Eine solche Kombina-t-i-on- -erscheint
vorteilhaft, da man-mit Hilfe der Hall generatoren bei einfachem mechanischem Aufbau
kräftige Signale erhält und daher wenig Verstärkung benötigt, während die opto-elektronische
Anordnung sich gut zur Drehzahlerfassung eignet.
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Fig.8 zeigt schematisch den Aufbau der Regelschaltung. Das Frequenzsignal
vor Fototransistor 86 wird in einem Vorverstärker 104 verstärkt und in einem D/A-Wandl
er 105 in eine frequenz-proportionale Spannung u umgesetzt, die in einem Tiefpaßfilter
106 gesiebt und danach in einem Soll-Ist-Wert - Vergleicher 107 mit einem
über
eine Leitung jU8 zugeführten Soll-Wert verglichen wird.
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Das Ausgangssignal von 1o7 wird in einem Verstärker lo9 verstärkt
und steuert über einen npn-Transistor llo den Gesamtstrom des Motors.
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Der Hall generator 78 steuert über zwei npn-Transistoren 113, 114
den Strom in den Strängen 119 und 120 und der Hall generator 77 steuert über zwei
npn-Transistoren 115, 116 den Strom in den beiden Strängen 117 und 118. Man erhält
so trotz der bei nur 4 Spulen unvermeidbaren Unsymmetrien eines solchen Motors (z.B.
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infolge ungleicher tTagneWisierung der einzelnen Roto rpol e, magnetischer
Anisotropien oder durch kleine Montagefehler bei den Spulen etc.) eine ausgezeichnete
Qualitäts-Drehzah'regelung für einen Plattenspieler - Direktantriebsmotor.
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Ergänzend ist noch darauf hinzuweisen, daß das von der annähernd punktförmigen
Lichtquelle 85 erzeugte Schattenbild der spiegelnd reflektierenden Strichspur 61
die Eigenschaft hat, daß seine Geometrie dann vom Abstand zwischen der Ebene der
Strichspur 61 (z.B. den Ebenen 95 er 96 in Fig. 5) einerseits und der Auffanguna
angig ebene 176 andererseits ist, wenn Lichtquelle 85 und Sensorelement 86 in derselben
Ebene 176 liegen und die Ebene 176 parallel verläuft zur Reflexionsebene- 95 oder
96.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese günstige Eigenschaft
ausgenutzW, indem die Ebene 176, die durch Lichtquelle 85 und Sensor 86 verläuft,
parallel ist zu den Ebenen 95 oder 96. Irgendwelche Variationen des Abstands zwischen
der Ebene 176 und der Reflexionsebene, wie sie in einem Motor beim Umlauf des Rotors
fast unvermeidlich sind, haben dann praktisch keinen Einfluß auf die Genauigkeit
der Abtastung.
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Wie bereits erläutert, ergibt sich bei einer solchen Anordnung auch
dann keine nachteilige Wirkung auf die Genauigkeit der A.btastung, wenn die Gerade
93 (Fig. 7) einen Winkel beta mit dem Radiusvektor bildet. Eine solche Schrägstellung
kann aus konstruktiven Gründen von Vor-eil sein.