DE2702190A1 - Steueranordnung fuer einen buerstenlosen motor - Google Patents
Steueranordnung fuer einen buerstenlosen motorInfo
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Description
DATEKITAKIIAfAIT β FRANKFURT/MAIN 1, DEN IW* ««**«*"* >*'l
POSTSCHECKKONTO FRANKFURT/M. 3425-6Ο5
DRESDNER BANK. FRANKFURT/M 23OO3Oe T E L E F ° '.,-.-.-
/f TELEGRAMM: KNUHAT
DA 434
Die Erfindung betrifft eine Steueranordnung für einen bürstenlosen
Motor, der einen Dauermagnet-Läufer und eine Ständerwicklung aufweist,
mit einer FUhlerspule zur Erfassung der Drehwinkellage des
Läufers und einem mit der Ständerwicklung in Reihe an der Spannungequelle liegenden steuerbaren elektronischen Stellglied, das die
Durchflutung der Ständerwicklung in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Läufers steuert, wobei eine durch die Läuferdrehung bewirkte
Parameteränderung der FUhlerspule dadurch in ein Steuersignal für das Stellglied umsetzbar ist, daß die in der Frequenz höher als
die Läuferdrehzahl liegende Schwingung eines Oszillators mit einem rückgekoppelten Verstärker und einem LC-Schwingkreis in der Rückkopplung,
dessen Induktivität durch die FUhlerspule bestimmt ist, durch die Parameteränderung der FUhlerspule ein- und ausschaltbar
und das Steuersignal aus der modulierten Oszillatorschwingung ableitbar isto
In der älteren Patentanmeldung P 25 27 057.9-32 ist bereits eine derartige Steueranordnung vorgeschlagen worden, bei der das Magnetfeld
des Läufers die Induktivität der FUhlerspule beeinflußt, um die Drehwinkellage des Läufers zu erfassen. Um hierbei das Steuersignal
für das Stellglied in der richtigen Drehwinkellage des Läufers zu erzeugen, muß die FUhlerspule an einer vorbestimmten
Stelle des Ständers befestigt werden. Vielfach ist diese Stelle Jedoch schwer zugänglich, wobei die Unterbringung der Fühlerspule
noch erschwert wird, wenn die Spule sperrig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Steueranordnung dahingehend zu verbessern, daß sie eine größere
Freiheit hinsichtlich der Anbringung und Ausbildung der FUhlerspule ermöglicht.
Nach der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zum EIn-
und Ausschalten der Schwingung des Oszillators die Verluste des LC-Schwingkreises durch ein mit dem Läufer umlaufendes, an der
FUhlerspule vorbeirotierendes Metallelement beeinflußbar sind.
Bei dieser Anordnung ist der Schwingungszustand des Oszillators weitgehend unabhängig von einer gegebenenfalls in der FUhlerspule
hervorgerufenen Induktion durch das Läuferfeld· Die Lage des
Metallelements und der FUhlerspule können daher weltgehend frei gewählt werden, insbesondere so, daß sie räumlich und elektrisch
optimal ist, zum Beispiel weitgehend unabhängig von Fremdfeldern· Der Kern der FUhlerspule braucht nicht sättigbar und auch nicht
vormagnetisiert zu sein. Entsprechend einfach kann der Aufbau der Spule sein. Dennoch bleibt die Schaltempfindlichkeit des Oszillators
verhältnismäßig hoch.
Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß das Metallelement aus Weicheisen
besteht. Weicheisen hat einen verhältnismäßig hohen spezifischen ohmschen Widerstand und dementsprechend höhere Verluste
als beispielsweise Kupfer oder Aluminium.
Besonders günstig ist es, wenn das Metallelement an einer quer zur Läuferwelle stehenden Stirnfläche des Läufers befestigt ist.
Die Stirnfläche ist besonders leicht zugänglich und ermöglicht die Anbringung eines Halters der FUhlerspule zwischen den
Wickelköpfen des Ständers, deren Zwischenraum gewöhnlich frei ist.
Das Metallelement sollte sich über einen um so viel kleineren
Drehwinkelbereich des Läufers als 180° elektrisch erstrecken, daß unter Berücksichtigung der endlichen Abmessungen der FUhlerspule
um 180° phasenverschobene Steuersignale aus dem Signal der FUhlerspule ableitbar sind.
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Hierbei können mehrere die Verluste erzeugende Metallelemente gleichmäßig auf einem Kreis verteilt angeordnet sein, deren Anzahl
der Anzahl der Läufer- oder Ständerpolpaare entspricht. Dies ergibt ein gleichmäßiges und hohes Drehmoment.
Diese Metallelemente lassen sich besonders einfach als Zähne einer
gezahnten Scheibe ausbilden.
Das Metallelement kann sodann bei Verwendung eines einzigen Motorpolpaares als flacher, sich über nahezu 180° räumlich erstreckender
Kreisringabschnitt ausgebildet sein, dessen Breite etwa gleich dem Durchmesser der Fühlerspule ist. Auf diese Welse
läßt sich eine maximale Beeinflußung der FUhlerspule über eine
halbe Läuferumdrehung erzielen, während in der nächsten halben Inadrehung der Einfluß verschwindet, so daß der Oszillator während
einer vollständigen Läuferumdrehung und damit ein oder zwei Stellglieder
sowie eine entsprechende Anzahl von Ständerwicklungen ein- und ausgeschaltet werden.
Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß die mittlere Länge L und der mittlere Radius R des Kreisringabschnitts sowie der Durchmesser
D der FUhlerspule die Bedingung R ·7Γ > L ">
R ·ΤΓ - D erfüllen. Diese Bemessung ermöglicht es, die Schaltwelle des
Oszillators so zu legen, daß der Schaltvorgang jeweils genau nach einer halben Läuferumdrehung ausgelöst wird, obwohl die
FUhlerspule einen endlichen Durchmesser aufweist.
Um die durch das Metallelement hervorgerufene Unwucht des Läufers zu beseitigen, kann ein Ausgleichsgewicht um 180° gegenüber
der Lage des Metallelements in Läufer-Drehrichtung versetzt am Läufer befestigt sein.
Die FUhlerspule kann einen offenen Topfkern aufweisen, dessen öffnung dem Metallelement zugekehrt ist. Der Topfkern schirmt
die Wicklung der FUhlerspule nach allen Seiten hin ab, bis auf die dem Metallelement zugekehrte Öffnungsseite, und läßt sich
darüber hinaus leicht mechanisch befestigen.
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So kann der Topfkern durch eine gedruckte Schaltplatte durchdringende
Metallstifte an dieser angelötet sein· Diese Art der Befestigung ist besonders einfach und zudem haltbar.
Dartiber hinaus kann zwischen dem Topfkern und der Schaltplatte
eine Halteplatte befestigt sein. Diese wird gleichzeitig durch die Netallstifte zwischen Topfkern und Schaltplatte gehalten
und kann auf einfache Weise am Ständer befestigt werden.
Sodann kann dafür gesorgt sein» daß die einseitig in Bezug auf den Läufer gelagerte Läuferwelle einen Exzenter für den
Antrieb eines Hubkolben-Verdichters einer Kältemaschine aufweist und die Massenschwerpunkte des Exzenters und des Metallelements
auf der einen und der Massenschwerpunkt eines Ausgleichgewichts auf der anderen Seite der Drehachse der Läuferwelle
liegen und das Lager der Läuferwelle zwischen dem Ausgleichsgewicht
und dem Metallelement liegt. Auf diese Weise wirken die Drehmomente der Fliehkräftepaare der exzentrischen
Massen einander entgegen, so daß die Lagerreibungekräfte verringert werden.
Die Zeichnung stellt bevorzugte Ausfunrungebeispiele schematisch
dar. Es zeigen:
Fig. 1 den elektrischen Teil einer Steueranordnung für einen
bürstenlosen Gleichstrom-Motor,
Fig. 2 die eine Stirnseite des Läufers des Motors, Fig. 3 einen Axialschnitt des Läufers,
Fig. 4 die andere Stirnseite des Läufers, Fig. 5 die Unterseite eines Halters für eine Fühlerspule,
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Fig. 6 eine Seitenansicht dea Halters nach Fig. 5 mit
daran befestigter FUhlerspule,
Fig. 7 die Draufsicht des Halters mit FUhlerspule nach Fig. 6,
Fig. 8 einen Ausschnitt der Teilschnittansicht A-A der Fig. 7,
Fig. 9 eine Teilschnittanskirt des Motors mit von diesem
angetriebenem Verdichter einer Kältemaschine,
Fig. 11 ein weiteres Ausf Uhrungsbeispiel eines Metallelements.
Nach Fig. 1 ist der Ständer 1 (Fig. 9) eines bUrstenlosen Gleichstrom-Motors 2 (Fig. 9) mit zwei um 180° räumlich versetzten
Wicklungen 3 und 4 versehen. Jede Wicklung 3, 4 liegt in Reihe mit einem steuerbaren elektrischen Stellglied 5» 6
in Form eines als Schalter betriebenen Leistungstransistors an einer Gleichstromquelle 7. Zu jedem Stellglied 5, 6 ist eine
Freilauf-Diode 8, 9 antiparallelgeschaltet. Die Drehwinkellage
des als Dauermagnet ausgebildeten Läufers 10 wird von einer vor der einen Stirnfläche des Läufers 10 angeordneten
Fühlerspule 11 erfaßt, während ein an derselben Läufer-Stirnfläche
befestigtes Metallelement 12 in Form eines Kreisringabschnitts aus Weicheisen an der FUhlerspule 11 vorbeirotiert.
Die FUhlerspule 11 bildet die Induktivität eines LC-Schwingkreises
in einem Oszillator 13. Der Oszillator 13 besteht aus einem rückgekoppelten Verstärker 14, in dessen Rückführung
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15 der LC-Schwingkreis liegt. Während der Vorbeibewegung des Metallelements 12 an der FUhlerspule 11 erhöhen sich die
ohmschen Verluste der FUhlerspule 11 und damit die des LC-Schwingkreises.
Die Verstärkung des Verstärkers 14 und das Übertragungsverhalten der Rückführung sind so aufeinander
abgestimmt, daß aufgrund der Erhöhung der Verluste des LC-Schwenkkreises
die Schwingbedingung des Oszillators 13 nicht mehr erfüllt ist, sondern nur ohne diese zusätzlichen Verluste.
Die Schwingungen des Oszillators 13 setzen daher jedes Mal während der Dauer der Vorbeibewegung des Netallelements 12
an der FUhlerspule 11 aus, wie es das über der Ausgangsleitung
16 des Oszillators 13 schematisch dargestellte Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Ausgangssignals des Oszillators 13
zeigt. Die Länge des Metallelements 12, der Durchmesser der FUhlerspule 11 und die Schaltschwelle des Oszillators 13 sind
so gewählt, daß die Oszillator-Schwingung/nach jeder halben
Umdrehung des Läufers 10 abwechselnd einsetzen und aussetzen. Das Oszillator-Ausgangssignal wird in einer Steuereinheit
demoduliert und in zwei um 180 ° phasenverschobene Steuersignale auf Ausgangsleitungen 18 und 19 umgesetzt und jeweils den
Basen der Transistoren 5 bzw. 6 zugeführt. Die Transistoren 5 und 6 sind daher abwechselnd während 180° bzw. einer halben
Läuferumdrehung leitend bzw. gesperrt. Dementsprechend sind die Ständerwicklungen 3 und 4 abwechselnd von einem Strom
durchflossen, so daß sie abwechselnd einen Ständerpol ausbilden. Durch eine unsymmetrische Verteilung der Induktion im Luftspalt
zwischen Ständer 1 und Läufer 10 ist dafür gesorgt, daß der Läufer eine vorbestimmte Ruhe-Lage einnimmt, in der er
selbsttätig anläuft.
Nach den Figuren 2 bis 4 ist das Metallelement 12 an der einen Stirnfläche des Läufers 10 mittels zweier Schrauben 20 und
Unterlegscheiben 21 befestigt. Die mittlere Länge L des kreis-
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ringabschnittförmigen Metallelements 12, gemessen auf dem Kreisbogen
22 mit dem mittleren Radius R, ist so gewählt, daß gilt
R .7Γ > L > R ·ΪΤ - D,
wobei D der Durchmesser der FUhlerspule 11 (Fig. 6) ist. Der
Durchmesser der Fühlerspule 11 ist etwa gleich der Breite des Metallelements 12 gewählt (Fig. 9). Wie insbesondere die Figuren
3 und 4 zeigen, ist auf der anderen Stirnfläche des Läufers 10 ein Ausgleichgewicht 23 in der gleichen Weise wie das Metallelement
12 befestigt, und zwar so, daß die Schwerpunkte von Ausgleichgewicht 23 und Metallelement 12 in der gleichen Läufer-Axialebene,
jedoch zu beiden Seiten der Läuferdrehachse liegen. Auf diese Weise wird eine durch das Metallelement 12 und deren
Befestigungsmittel hervorgerufene Unwucht des Läufers 10 ausgeglichen. Das Ausgleichgewicht 23 und das Metallelement 12 haben
die gleiche Form und den gleichen Abstand von der Läuferachse.
Wie insbesondere die Figuren 5 bis 7 zeigen, ist die Fühlerspule 11 an einem Halter 24 befestigt, der aus einer abgewinkelten
Halteplatte 25 und einer Schaltplatte 26 besteht, die durch Hohlniete 27 verbunden sind. Die Fühlerspule 11 weist einen
Topfkern 28 auf, in der die Wicklung 29 der Fühlerspule 11 untergebracht
ist. Die Schaltplatte 26 ist auf ihrer Unterseite in vier Bereichen 30, 31, 32 und 33 mit Kupfer kaschiert· An
der Unterseite des Topfkerns 28 ausgebildete Metallstifte 34 und 35 durchsetzen die Halteplatte 25 und die Schaltplatte 26
und sind in den Bereichen 31 und 33 angelötet, um die FUhlerspule 11 am Halter 24 zu befestigen. Zwei weitere Metallstifte
36 und 37 sind einerseits an den Enden der Wicklung 29 und andererseits in den Bereichen 30 und 32 angelötet. Die Metallstifte
36 und 37 dienen für den Anschluß von Verbindungsleitungen 38, 39 (Fig. 1 und 9).
Wie Fig. 8 zeigt, ist die Fühlerspule 11 mittels der Halteplatte 25 in dem Zwischenraum zwischen den Wickelköpfen der Ständerwicklungen
3 und 4 an*elnem mit dem" Ständer fest verbundenen
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Teil 40 befestigt. Der Abstand bzw. Luftspalt zwischen dem
Metallelemt 12 und der FUhlerspule 11 beträgt etwa o,5 mm.
Nach Fig. 9 ist der Motor 2 mit dem Verdichter 41 einer Kältemaschine
gekoppelt, um diesen anzutreiben. Zu diesem Zweck ist die Läuferwelle 42 mit einem Exzenter 43 in Form eines Kurbelzapfens
versehen, der Jn einem in einer zylindrischen Ausnehmung am Ende des Verdichter-Kolbens 44 quer zur Längsachse des Verdichter-Kolbens
44 verschiebbar gelagerten Gleitstein 45 drehbar gelagert ist. Zum Ausgleich der durch den Exzenter 43 hervorgerufenen
Unwucht ist auf der Welle 42 ein Ausgleichgewicht 46 vorgesehen. Die Massenschwerpunkte der Ausgleichgewichte 23»
46 sowie des Exzenters 43 und des Metallelements 12 liegen alle in derselben Ebene, Jedoch die Ausgleichgewichte 23, 46 auf der
einen und der Exzenter 43 und das Metallelement 12 auf der anderen Seite der Läufer-Drehachse. Auf diese Weise lassen sich
die durch die Fliehkraftpaare von Exzenter 43 und Ausgleichgewicht 46 einerseits und von Metallelement 12 und Ausgleichgewicht
23 andererseits ausgeübten Drehmomente um eine senkrecht zur genannten Schwerpunktebene stehende Achse kompensieren, so
daß die Lagerreibung in dem einzigen die Läuferwelle 42 aufnehmenden Lager 47 zwischen Motor 2 und Verdichter 41 auf ein
Minimum verringert wird. Die gleiche Wirkung läßt den auch erzielen,
wenn das Ausgleichgewicht 23 weggelassen und das Ausgleichgewicht 46 entsprechend anders dimensioniert wird, so daß
eine
es/durch den Exzenter 43 und das Metallelement 12 hervorgerufene Unwucht allein ausgleicht. Die Hinzunahme des Ausgleichgewichts 23 ermöglicht dagegen die Beibehaltung der Abmessungen bereits in Serie gefertigter Läuferwellen 42 und gewUnschtenfalls die Wahl einer anderen Lage des Metallelements 12 in Bezug auf die Massenschwerpunktsebene von Exzenter und Ausgleichgewicht 46·
es/durch den Exzenter 43 und das Metallelement 12 hervorgerufene Unwucht allein ausgleicht. Die Hinzunahme des Ausgleichgewichts 23 ermöglicht dagegen die Beibehaltung der Abmessungen bereits in Serie gefertigter Läuferwellen 42 und gewUnschtenfalls die Wahl einer anderen Lage des Metallelements 12 in Bezug auf die Massenschwerpunktsebene von Exzenter und Ausgleichgewicht 46·
Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß das aus Motor 2 und Verdichter
41 bestehende Aggregat üblicherweise in einer hermetisch abgeschlossenen Kapsel so angeordnet ist, daß der Verdichter 41
oben und der Motor 2 unten liegt und die Läuferwelle 42 mit ihrem unteren Ende in einen ölsumpf in der Kapsel taucht, um das
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Ul Über eine achaparallele Bohrung In der Welle und schraubenlinienförmige
Umfangsnuten an die Lagerstellen zu befördern.
Bei dem AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 10 hat der Ständer 101
mehrere ausgeprägte Pole, auf die die beiden Wicklungen 3 und 4 (Fig. 1) so gewickelt sind, daß die benachbarten Pole entgegengesetzte
Polaritäten N und S erhalten. Hierbei kann die eine Wicklung 3 den Nordpolen und die andere 4 den Südpolen zugeordnet
sein. Der Läufer 100 kann die gleiche Anzahl ausgeprägter Pole abwechselnder Polarität aufweisen.
Die Fühleranordnung weist dann ein Metallelement 112 auf, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. Es hat die Form einer gezahnten
Ringscheibe, bei der die Anzahl der Zähne 113 gleich der Anzahl der Polpaare des Ständers 101 oder des Läufers 100 ist. Die
Zähne sind ebenso wie die Polpaare gleichmäßig um den Umfang verteilt. Die Metallelemente 12 und 112 können in der gleichen
Weise angebracht sein. Bei dem Metallelement 112 kann Jedoch ein Ausgleichgewicht entfallen.
Die Schaltfrequenz der Transistoren ist bei dem AusfUhrungsbeispiel
nach den Fig. 10 und 11 entsprechend höher als bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 1, wenn die Drehzahlen der Läufer
10 und 100 gleich sind.
Abweichungen von den dargestellten AusfUhrungsbeispielen liegen
im Rahmen der Erfindung. So kann das Metallelement 12, 112 auch
unmittelbar an der Läuferwelle 42 befestigt sein. Anstelle des Topfkerns kann ein Stabkern verwendet werden. Das Kernmaterial
kann Ferrit sein.
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Claims (1)
- ^702 IbMPatentansprüche( 1.J Steueranordnung für einen bürstenlosen Motor, der einen Dauermagnet-Läufer und eine Ständerwicklung aufweist, mit einer FUhlerspule zur Erfassung der Drehwinkellage des Läufers und einem mit der Ständerwicklung in Reihe an der Spannungsquelle liegenden steuerbaren elektronischen Stellglied, das die Durchflutung der Ständerwicklung in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Läufers steuert, wobei eine durch die Läuferdrehung bewirkte Parameteränderung der FUhlerspule dadurch in ein Steuersignal für das Stellglied umsetzbar ist, daß die in der Frequenz höher als die Läuferdrehzahl liegende Schwingung eines Oszillators mit einem rückgekoppelten Verstärker und einem LC-Schwingkreis in der Rückkopplung, dessen Induktivität durch die Fühlerspule bestimmt ist, durch die Parameteränderung der FUhlerspule ein- und ausschaltbar und das Steuersignal aus der modulierten Oszillatorschwingung ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ein- und Ausschalten der Schwingung des Oszillators (13) die Verluste des LC-Schwingkreises durch ein mit dem Läufer (10; 100) umlaufendes, an der FUhlerspule (11) vorbeirotierendes Metallelement (12; 113) beeinflußbar sind.2. Steueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallelement (12; 113) aus Weicheisen besteht·3. Steueranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallelement (12) an einer quer zur Läuferwelle (42) stehenden Stirnfläche des Läufers (10) befestigt ist.4. Steueranordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein FUhlerspulen-Halter (24) zwischen den Wickelkopf en des Ständers (1) angebracht ist·809830/0106ORIGiNAL INSPECTOR2702Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Metallelement (12, 113) über einen um so viel kleineren Drehwinkelbereich des Läufers als 180° elektrisch erstreckt, daß unter Berücksichtigung der endlichen Abmessungen der Fühlerspule um 180° phasenverschobene Steuersignale aus dem Signal der Fühlerspule ableitbar sind.6. steueranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere die Verluste erzeugende Metallelemente (113) gleichmäßig auf einem Kreis verteilt angeordnet sind, deren Anzahl der Anzahl der Läufer- oder Ständerpolpaare entspricht.7. Steueranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Netallelemente (113) die Zähne einer gezahnten Scheibe sind.8. Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallelement (12) bei Verwendung eines einzigen Motorpolpaares als flacher, sich über nahezu 180° räumlich erstreckender Kreisringabschnitt ausgebildet ist, dessen Breite etwa gleich dem Durchmesser (D) der FUhlerspule (11) ist.9. Steueranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Länge L und der mittlere Radius R des Kreisringabschnitte sowie der Duchmesser D der Fühlerspule (11) die Bedingung R-IT > L >R.?T-D erfüllen.10. Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgleichsgewicht (23; 46) um 180° gegenüber der Lage des Metallelements (12) in Läufer-Drehrichtung versetzt am Läufer (10) befestigt ist.11. Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerspule (11) einen offenen Topfkern (28) aufweist, dessen Öffnung dem Metallelement (12) zugekehrt ist»809830/01062702 3 -12. Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Topfkern (28) durch eine gedruckt· Schaltplatte (26) durchdringende Metallstifte (34, 35) an dieser festgelötet ist.13. Steueranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Topfkern (28) und der Schaltplatte (26) eine Halteplatte (25) befestigt ist.14. Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einseitig in Bezug auf den Läufer (10) gelagerte Läuferwelle (42) einen Exzenter (43) für den Antrieb eines Hubkolben-Verdichters (41) einer Kältemaschine aufweist und die Massenschwerpunkte des Exzenters (43) und des Metallelements (12) auf der einen und der Massenschwerpunkt eines Ausgleichsgewichts (46) auf der anderen Seite der Drehachse der Läuferwelle (42) liegen und das Lager (47) der Läuferwelle (42) zwischen dem Ausgleichsgewicht (46) und dem Metallelement (12) liegt.80983 0/0106
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