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Die
Erfindung betrifft eine Transversalflußmaschine für rotierende oder lineare Anwendung
mit verteilter Wicklung.
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Bei
neuen Varianten von Transversalflußmaschinen mit Erregung durch
Permanentmagnete wird die Zielsetzung hauptsächlich durch hohe Kraftdichte kombiniert
mit guter Baubarkeit und Anlagenverträglichkeit bestimmt. Die grundsätzliche
Möglichkeit, ohne
wesentliche Nachteile die Permanentmagnete entweder im wicklungstragenden
Maschinenteil oder im passiven Feldrückschlußteil einzusetzen, vermittelt
gegenüber
konventionellen Maschinen deutliche Vorteile. Wie sich gezeigt hat,
sind TF-Maschinen in rotierender oder linearer Anwendung den herkömmlichen
Maschinen, insbesondere dann in Materialaufwand und Wirkungsgrad
weit überlegen,
wenn die Permanentmagnete in Sammlerversion eingesetzt sind.
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Besonders
auch für
die Anwendung bei rotierenden Maschinen mit nur einer Luftspaltebene
je Magnetkreis ist die erstmals in
DE 102 11 182 A1 ,
2a/
2b dargestellte „ebene" Magnetkreisform
interessant und mit Blick auf gute Herstellbarkeit und hohe erzielbare
Felddichten empfehlenswert. Zwei axial benachbarte Magnetkreise,
die zu einem Wicklungsstrang gehören,
und in Umfangsrichtung unterteile Spulen sind in den
4,
5 und
6 vorgeschlagen. Die Spulenströme sind
einem symmetrischen Mehrstromsystem zugeordnet. Mit der verfeinerten Spulenaufteilung
kann die Baubarkeit gefördert
werden, da kleinere Leiterquerschnitte und höhere Windungszahlen bei gegebener
Spannung resultieren. Isolierprobleme für die Magnetkreisteile gegenüber dem
Maschinengehäuse
werden erleichtert.
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Erkennbare
Nachteile der in Umfangsrichtung vorgenommenen Spulengliederung
sind bei den in
DE
101 10 719 A1 und
DE
29 38 379 A1 vorgesehenen magnetisch ungünstigeren
Konfigurationen die durch die Stoßstellen bedingten Ausfälle kraftbildender
Magnetkreispole, was zu einem Rückgang der
mittleren Kraftdichte führt.
Auch in
FR 2 775 393 B3 liegt
eine weniger effiziente Magnetkreisgeometrie zugrunde.
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Besonders
ein Übergang
auf drei- oder mehrsträngige
Wicklungen läßt dieses
Problem eskalieren. Auch die durch die Stoßstellen und den Phasenversatz
der Magnetkreiselemente bedingte geometrische Störung des symmetrischen Aufbaus erschwert
die Baubarkeit und die Genauigkeit der Herstellung.
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Es
besteht jedoch kein Zweifel, dass der Einsatz mehrsträngiger Wicklungen
(insbesondere der dreisträngigen)
schon deshalb vorteilhaft ist, weil mit ihnen auch die Anwendung
von Wech selrichtern (elektronischen Speisegeräten) in der weitverbreiteten
und technisch zuverlässigen
Form, z.B. in 6 B-Konfiguration möglich ist.
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Somit
besteht die erfindungsgemäße Aufgabe
darin, für
rotierende und lineare Anwendung, eine Magnetkreisanordnung anzugeben,
deren wicklungstragendes Maschinenteil in gleichmäßiger Teilung
der flußführenden
Elemente eine mehrsträngige Wicklung
mit Längsteil-Magnetisierung trägt, die
damit über
eine herkömmliche
Wechselrichterschaltung mit angepaßter Steuerung betreibbar ist,
ahne daß im
Vergleich zu Maschinen mit durchgehender Ringwicklung eine wesentliche
Kraftdichteschwächung
zu verzeichnen ist. Weiter soll ähnlich
wie in
DE 101 10 719
A1 über
den Wechselrichter-Steuereingriff die Glättung des Drehmoments zur Erzielung
einer hohen Laufruhe möglich
sein.
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Im
Folgenden wird anhand eines ausführlichen
Textes, unter Einbezug mehrerer zeichnerischer Darstellungen, die
Lösung
dieser Aufgabe beschrieben:
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1a zeigt
quer zur Bewegungsrichtung zwei Magnetkreise gleichen Aufbaus mit
je einem Luftspalt, dem oberen Teil mit Wicklung und dem unteren
Teil mit Permanentmagneten als Erregerteil. Als Beispiel ist die
Wicklung in drei Spulengruppen unterteilt, die drei symmetrisch
versetzten Wechselströmen
zugeordnet werden. Die Spulenströme
magnetisieren mit ihrer Längskomponente.
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1b stellt
die linearisierte Seitenansicht von 1a dar.
Die Drehstromwicklung weist, wie bei der symmetrischen dreisträngigen Wicklung üblich, einen
Versatz der Achsen um 2/3 Polteilung auf.
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In
Wechselwirkung mit je drei äußeren MK-Elementen
einer Polteilung τ sind
10 innere MK-Elemente, davon 5 alternierend gepolte P-Magnete als
Flußblenden.
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2a zeigt
die Gliederungsparameter von äußeren und
inneren MK-Teilen sowie das Polarisierungsmuster der P-Magnete in
Längsrichtung.
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2b zeigt
die Spulengliederung der 3 Wicklungsstränge a, b und c bei symmetrischer
Anordnung.
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2c zeigt
die für
einen Zeitpunkt 1 angenommene Stromrelation der drei Strangströme entsprechend
den Strompfeilen in 2b.
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2d stellt
die Größe der Stromsummen
iR in Längsrichtung
dar. iRI entspricht dem Zeitpunkt 1 als
räumliche
Verteilung. Die für
die Kraftbildung wirksamen rechteckförmigen Strompulse sind als
Assehnitte der Summenströme
markiert. Die Randkurve iRII gilt für den Stromverlauf
bei Stromumschaltung (Gegenrichtung) und Versatz um die Länge der
inneren Polteilung τ1.
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3a stellt
die Gliederung der Magnetkreise für den Fall dar, dass je 6 Statorelemente
eine äußere Polteilung
bilden, d.h.: τ =
6τ1.
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3b zeigt
die Spulengliederung zu 3a. Je
zwei Spulen gehören
zu einem Strang und sind vom gleichen Strom durchflossen.
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3c stellt
die Längsstromsummen
iRI, iRII sowie
die der Kraftbildung entsprechenden Strompulse dar.
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4a zeigt
eine dreisträngige
Wechselrichterschaltung (vereinfacht) als 6B-Brücke, gespeist aus einem Gleichspannungskreis
der Spannung Ud zur Versorgung der drei
Wicklungsstränge
mit annähernd
zeitlich sinusförmiger
Spannung und zeitlich symmetrischer Spreizung sowie der Möglichkeit
zum Pulsbetrieb; System A.
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4b zeigt
eine Schaltung identisch zu 4a, die
um einen Zeitversatz entsprechend dem Winkel γ betrieben wird; System B.
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5a zeigt
die der Teilmaschine AM innerhalb einer Halbperiode zugeschriebenen
Kraftpulse, entsprechend einer Wicklungsanordnung nach 2b.
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5b stellt
die Kraftpulse der Teilmaschine BM im Bereich einer Halbperiode
dar.
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6 zeigt
eine Schnittdarstellung einer rotierenden Maschine mit Magnetkreisanordnung
für die
Teilmaschinen AM und BM und Magnetkreiserregung durch ebene Sammlerelemente.
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Die
in vielen Bauformvarianten mögliche Ausführung der
Transversalfluß-Maschine
zeigt besonders in der Form der permanenterregten Sammlerversion
mit kleiner Polteilung und der Wicklung mit Ringspule konzentrisch
zur Welle sowie in zweisträngiger
Ausführung
ihre Überlegenheit
bezüglich
Kraftdichte und Wicklungsverlusten.
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Um
das formulierte Ziel des Übergangs
auf drei oder mehrsträngige
Wicklungen ohne größeren Effizienzverlust
zu erreichen, ist die Beibehaltung einer kleinen Polteilung (Abstand
zwischen den Erregermagneten des Sammlers) von Bedeutung, da sich nur
so mit begrenzter Wicklungsdurchflutung hohe Kraftdichten verwirklichen
lassen.
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Im
Widerstreit hierzu steht beim Verlassen der Ringwicklung, dass mit
der Mehrspulenwicklung das auch bei konventionellen Maschinen bekannte Problem
der zusätzlichen
Raumforderung für
die axial verlaufenden Wicklungsteile auftritt. Es konkurrieren
die Anforderungen für
die Querschnitte der MK-Teile mit den Querschnitten der stromführenden Spulen
um so mehr, je kleiner die Polteilung der Mehrphasenwicklung gewählt wird,
Zur Entschärfung dieses
Problems wird erfindungsgemäß der Weg
beschritten, dafür
die mehrsträngige
Wicklung eine um mindestens einen Faktor 6 größere Polteilung gewählt wird,
als für
das Erregerteil und der Wechselstrom der Wicklung überlagert
zur Grundfrequenz der Mehrstranganordnung eine entsprechend höhere Schaltfrequenz
aufweist. Mit dem an die Bewegungsgeschwindigkeit des Erregerteils
angepaßten
gepulsten Drehstrom lassen sich ähnlich
hohe Kraftdichten mit geringer Wicklungsdurchflutung erreichen,
wie bei Maschinen mit Ringwicklung. Die der Grundschwingung zu überlagernde
Schaltfrequenz ist für den
Betrieb des Einspeisegeräts
zwar (im Steuerteil) zu berücksichtigen,
bedeutet jedoch keine neuen Ansprüche bezüglich dessen Gesamtkonzeption.
Das grundsätzliche
Stromführungsmuster,
wie es im Falle etwa der dreisträngigen
Wicklungsausführung
durch die bekannte 6B-Schaltung gegeben ist, bleibt durch die gewählte Lösung auch
unter Berücksichtigung der
Pulsung erhalten.
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Wie 1a zu
entnehmen ist, soll für
das Grundmodell einer zweckmäßig und
günstig
baubaren Maschinenanordnung die Teilmaschine aus gleichartigen Magnetkreis-Paaren
MK und MK' bestehen,
deren in Bewegungsrichtung verlaufende Wicklungsteile (WS und WS'), z.B.
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aus
je drei Strängen
a, b, c, mit einer Stromsumme IR zur Magnetisierung
der Magnetkreise beitragen und im oberen Maschinenteil SE, SE' in Nuten der MK-Teile
Vs eingelegt und überlappt
ausgeführt sind.
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Die
Grunderregung der Magnetisierung wird von zwei Permanentmagneten
P im unteren Maschinenteil EP, EP' gestellt.
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Da
der Durchtrittsquerschnitt des Flusses in den Permanentmagneten
um mehr als einen Faktor zwei größer ist
als der Polquerschnitt am Luftspalt, entsteht dort eine Flußkonzentration,
(Sammlerwirkung).
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Wie
die linearisierte Seitenansicht von
1b zeigt,
sind die MK-Elemente Vs des wicklungstragenden Teils (Stator) im
Abstand der doppelten Magnetteilung 2τ
1, angeordnet.
In den unteren Erregerteilen sind zwischen den MK-Elementen Vp Flußblenden
PB der doppelten Dicke der Magnete P eingesetzt, sh. auch
DE 102 11 182 A1 .
Entsprechend der Polteilung τ der
Dreistrangwicklung (Spulenlänge)
sind die Erregerteile mit 5 Polelementen Vp (und 5 Blendenmagneten
PB) gegliedert. Die nebeneinander liegenden Erregerteil-Gruppen
weisen inverse Polaritätsmuster
auf Zwei Polteilungen τ bilden die
minimale Maschinenlänge
und entsprechen einem Polpaar einer herkömmlichen Maschine. Die für die flußführenden
MK-Teile gewählten
Breitenabmessungen entsprechen weitgehend den Relationen von TF-Maschinen
mit Ringwicklung. Das Teilungsmuster von Rotor- und Statorelementen
ist zusätzlich in
2a wiedergegeben.
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Der
Kraftbildungs-Nachweis kann entsprechend der 1b dadurch
geführt
werden, dass auf die Wechselwirkung zwischen dem im Randbereich der
Blendenmagneten eingeprägten
Ströme
Im und der von der Wicklung erzeugten Flußdichte
Ba (am Ort der Magnetströme) verwiesen wird. Es ist
erkennbar, dass sich in der Folge der beiden unterschiedlichen Pole
die jeweiligen Vektor-Produkte aus Strom Im und
Ba zur Gesamtkraft FX addieren.
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Die
in
1b gezeichneten und in
1a angedeuteten
Queruerbindungen der Spulen a, b, c sind in der jeweiligen Lage
symmetrisch zwischen den Rückschlußelementen
Vs von SE gezeichnet. Auch wenn diese Einschränkung nicht respektiert würde, bestünde offenbar
ein begrenztes Querschnittsangebot. Allerdings kann bereits festgestellt werden,
dass die verteilten (überlappt)
ausgeführten Spulen
der Drehfeldwicklung zu günstigeren
Raumverhältnissen
führen
als etwa die bei konzentrierter Wicklung (mit Stoßstellen)
nach
DE 101 10 719 .6,
5. In
2b ist
in schematisierter Draufsicht das Bild der Spulenanordnung wiedergegeben
und gleichzeitig dargestellt, wie zum Zeitpunkt 1 die Stromverläufe sich
zu dem Längsstrom
i
R addieren. Im Zeitpunkt 1 sind der
2c entsprechend,
die beiden Ströme
i
b und i
c entgegengesetzt
zu i
a und halb so groß. Für die weiteren Zeitpunkte (2,
3, 4) ist bei sinusförmigem
Verlauf der Strangströme
das (für „Drehströme") bekannte Wandern
der Stromverteilung mit der Phasengeschwindigkeit v
0 =
2τ·f
0 gegeben. Der Kurvenzug i
RI ist
der positiven Stromrichtung zugeordnet und ermöglicht in der Stellung 1 an
den drei markierten Positionen der Stator-MK-Elemente Vs die kraftbildende
Wechselwirkung mit den Magneten PB des Erregerteils.
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Um
die Kraftwirkung an den Stellen der gegensinnigen Polarität der Magnete
nach einem Zeitintervall entsprechend der internen Polteilung τ1 zu ermöglichen,
ist offensichtlich (zu diesem Zeitpunkt) die gegensinnige Stomrichtung
erforderlich. Dies ist durch die zweite Strom-Randkurve iRII gekennzeichnet. Zwischen den Randkurven
iRI und iRII ist
somit im internen Polteilungstakt (z.B. 30°) hin- und herzuschalten. Die
so entstehenden Strompulse wechselnder Richtung folgen nach gemeinsamer
Spannungsumkehr für
alle drei Phasen entsprechend einer (Schalt-)Folge 1, -2, 3, -4
u.s.w. (2c).
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Auf
diese Weise lassen sich die Vorteile der kleinen Polteilung des
Erregerteils zur Erzeugung einer hohen Kraftdichte mit begrenztem
Wicklungsstrom realisieren. Der Betrag der Kraftdichte ergibt sich
als proportional zum Quotienten iR/τ1.
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Wie
bereits erwähnt,
ist der Strom iRI gegenüber um einen Winkel entsprechend
der internen Teilung τ1 verschoben, so dass eine gleichmäßig verteilte
Pulsfolge entsteht, deren Frequenz f im Beispiel das Sechsfache
der Grundfrequenz f0 beträgt.
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Das
Querschnittsangebot für
die drei verteilten Strangspulen ist weiterhin durch die Zwischenräume der
MK-Elemente Vs eingeengt. Günstigere Verhältnisse
als im obigen Beispiel ergeben sich dann, wenn die Polteilung der
Wicklung einer noch größeren Zahl
von MK-Elementen zugeordnet wird.
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Als
weniger günstig,
im Hinblick auf die Wicklungsverluste, erweist sich eine teilweise
Rückführung der
Spulenströme
außerhalh
der Nuten der MK-Elemente Vs.
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Die 3a, 3b und 3c zeigen,
wie durch eine Verdoppelung der Spulenzahl und Beibehaltung der
Elementteilung τ1 der insgesamt verfügbare Spulenquerschnitt gegenüber dem
Beispiel mit 3 Spulen verdoppelt werden kann. Im Beispiel der 3 nimmt die Polteilung der Wicklung das
Zwölffache
der internen Polteilung τi ein. Eine Verdoppelung der Schaltfrequenz
wird dann vermieden, wenn die Phasengeschwindigkeit v0 (Bewegungsgeschwindigkeit)
konstant gehalten wird. Zusätzliche
Verbesserungen im Sinne größerer Spulenquerschnitte
sind durch weitergehende Gliederung der überlappten Wicklung, auch durch Übergang
von drei auf fünfsträngige Systeme,
allgemein durch die konsequente Anwendung des Konzepts der „Verteilten
Wicklung" erzielbar.
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Die
in den 2d und 3c gezeichneten Stram-Schaltphasen
markieren auch den für
die Kraftbildung relevanten Bereich, in dem. die Induktionskomponente
Ba erzeugt wird. Da innerhalb dieser Schaltintervalle
die Position der Magnete variiert, kommt nicht zu jedem Zeitpunkt
der Höchstwert
der Kraft zustande. Bei rechteckförmigem Stromangebot ähnelt der
Kraftverlauf einer Gloekenkurve. Während des Umschaltvorgangs
tendiert die Kraft gegen null.
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Zur
Vermeidung von Lücken
oder starken Schwankungen im Kraftverlauf ist die Kombination von
zwei Systemen der beschriebenen Art, die mit Phasenversatz arbeiten,
geboten. Ein entsprechender Lösungsvorschlag
für die
beiden Speisesysteme ist in den 4a und 4b dargestellt.
Gegenüber der
Speiseeinheit A weist die Einheit B bei gleicher Gerätetechnik
das Merkmal auf daß die
Ströme
um den Winkel γ,
der einer halben internen Polteilung τ1 entspricht,
zeitversetzt schaltet. In den 5a und 5b ist
das Muster der Kraftpulse (FxA, FxB) für eine
Halbperiode der Drehstromwicklung wiedergegeben. Durch die Überlagerung
beider Pulsfolgen und Integration der Teilsysteme in einer einzigen
Maschine entsteht eine Addition der Mittelwerte sowie der erwartete
Glättungseffekt.
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Es
ist darüber
hinaus offenkundig, daß Speiseeinheiten
entsprechend 4a und 4b in
bekannter 6B-Konfiguration für
dreisträngige
Systeme der Wicklung anstelle von weniger bekannten Geräten (4Q-Steller)
zur Speisung einsträngiger
Wicklungen eingesetzt werden können.
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Die
für die
Maschine beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften, wie hohe Windungszahl,
geringe Empfindlichkeit gegenüber
zusätzlichen
Verlusten (auch durch Ringströme)
in Konstruktionsteilen, lassen sich durch weitere Vorteile im Aufbau
ergänzen.
Während
für kleinere
und mittlere Maschinengrößen die
Anwendung von zwei Speisesystemen entsprechend 4a und 4b naheliegt,
läßt sich die
Konzeption bei großen
Maschinen entsprechend erweitern. Am Umfang der Maschine kann bei
größeren Polzahlen
der Drehstromwicklung die Speisung durch mehrere gleichartige Geräte (parallel)
vorgenommen werden. Auch axial nebeneinander sind mehrere Wicklungen
bzw. mehr als vier Magnetkreis-Reihen denkbar und zweckmäßig.
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6 stellt
einen Schnitt durch eine Zweisystem- Maschine dar. Sie besteht aus
Stator ST und Rotor RO und ist symmetrisch zur Mittelebene jeweils mit
einer Doppel-MK-Anordnung ausgerüstet.
Die Wicklungen WS, WS' sind
in dreisträngiger
Gliederung entsprechend
3a,
3b vorgesehen.
Die ebenen MK-Kreise weisen im Erregerteil Permanentmagnetblen den
auf. Das Merkmal der Sammleranordnung ist erkennbar. Die Lamellenpakete
der flußführenden
Elemente sind mit dem Rotorkörper
RK durch Körperschluß (an Befestigungsringen)
sowie durch axiale Verspannung über
Spannscheibe G und durch Bandagen verbunden sowie gegen Fliehkraftwirkungen
und Schwingungen gesichert. Ähnlich
wie bei konventionellen Maschinen liegt hier eine Einspaltversion
einer Transversalflußmaschine
vor. Ihre Ausführbarkeit
wird durch den Einsatz der ebenen Magnetkreiselemente erleichtert.
Durch die mit Pulsversatz gesteuerten Wechselrichter A und B wird vom
Rotorkörper
RK ein Drehmoment mit nur geringer Schwankungsamplitude auf die
Welle W übertragen.
Zusätzliche
Maßnahmen
zur weiteren Glättung durch
das Mittel der Stromformbeeinflussung im Zeitraum der Strompulse
entsprechend
DE 101
10 719 A1 lassen sich ebenfalls anwenden.
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Der
am Umfang weitgehend gleichmäßige mechanische
Aufbau und die beschriebene Betriebsweise der dicht nebeneinander
liegenden Teilmaschinen AM und BM bieten gute Voraussetzungen für einen
Betrieb mit begrenzten Normalkraft- bzw. Schwingungsanregungen.
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Die
Geräuschabstrahlung über das
Gehäuse SG
und die Lagerschilde LS ist demgemäß als potentiell gering anzusehen.
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Wie
in früheren
Patentschriften bereits vorgeschlagen, sind durch Modifikation der
gezeichneten Magnetkreisvariante mit nur einem Spalt auch Anordnungen
möglich,
bei denen z.B. zwei Spalte radial übereinander vorgesehen sind.
Der Einsatz solcher MK-Varianten wird sich besonders bei Maschinen
mit großen
Abmessungen dadurch als vorteilhaft erweisen, dass weitere Einsparungen
an MK-Material und höhere
Kraftdichten realisiert werden können.