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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Anmeldung betrifft allgemein eine elektrische Vorrichtung und insbesondere
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung einer elektrischen Störung in
einer Läuferanordnung
einer elektrischen Maschine.
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HINTERGRUND
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Lundell-Drehstromgeneratoren
werden fast auschließlich
zur Erzeugung bordeigener Elektrizität bei Personenkraftwagen eingesetzt.
Ein Lundell-Drehstromgeneratorumfasst
einen Klauenpolläufer
mit Erregerwicklung, der die Eigenschaft besitzt, die meisten funktionellen
Anforderungen wie beispielsweise Leistungsabgabe, Größe und Zuverlässigkeit
kostengünstig
zu erfüllen.
Bei einer dynamoelektrischen Maschine mit einem solchen Läufer muss
eine Spannung quer über
die Drehfeldspulenwicklung angelegt werden, um ein zeitveränderliches Magnetfeld
zu erzeugen. Eine Schleifring- und Bürstenanordnung wird dazu verwendet,
einen Stromkreis zwischen der Drehfeldspulenwicklung und der unbeweglichen
Elektronik des Drehstromgenerators, insbesondere dem Spannungsregler,
zu schließen.
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Bei
einer solchen Anordnung sind zwei Kupferschleifringe an einer sich
vom Läufer
aus erstreckenden drehenden Welle befestigt und elektrisch durch
ein die Ringe stützendes
Kunststoffmaterial von der Welle und gegeneinander isoliert. Jeder
Ring ist an ein Ende der Feldspulenwicklung angeschlossen. Die Ringe
sind zylinderförmig
und haben eine Axiallänge
von ungefähr
5 bis 10 mm. Eine elektrische Bürste
fährt – oder besser
ausgedrückt:
gleitet – auf
einem jeweiligen drehenden Schleifring. Die zwei Bürsten sind über einen
Bürstenhalter
oder eine ähnliche
Konstruktion an einem unbeweglichen Rahmen des Drehstromgenerators
befestigt und werden zu direktem Gleitkontakt mit einer freien Oberfläche eines entsprechenden
Schleifrings gezwungen. Ein vorspannendes Element wie beispielsweise
eine Feder dient dazu, jede Bürste
so vorzuspannen, dass sie in Kontakt mit einem entsprechenden Schleifring
steht.
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Die
beiden Bürsten
sind im Allgemeinen Stücke
aus festem Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Kupfer, die normalerweise
eine rechteckige Form aufweisen. Die Bürsten sind elektrisch an den
Rest des Drehstromgenerators angeschlossen, um die Spannung quer über die
Feldspule anzulegen. Während
des Betriebs drehen sich die Schleifringe mit der Läuferwelle und
die zwei Bürsten
gleiten über
die freie Oberfläche eines
entsprechenden Schleifrings, um den Kreis des elektrischen Feldes
zwischen der Feldspulenwicklung und dem Drehstromgenerator zu schließen.
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Die
elektrische Berührungsfläche zwischen der
Bürste
und dem jeweiligen Schleifring ist jedoch nicht perfekt. Die Bürsten stehen
wegen Vibrationen, Oberflächenrauhigkeit
und Rundheit der an die Drehgeschwindigkeiten des Läufers gekoppelten
Schleifringe nicht immer in kontinuierlichem, niederohmigem Kontakt
mit den Schleifringen. Darüber
hinaus kann die Induktivität
der Feldspulenwicklung negative Spannungsspitzen im Feldkreis hervorrufen.
Daher kommt es zwischen den Schleifringen und den entsprechenden
Bürsten
zu örtlich
begrenzter Lichtbogen- und Funkenbildung. Dies wiederum führt zu elektrischer
Störung,
die zur anderen bordeigenen Fahrzeugelektronik wie beispielsweise
dem Radio durchschlagen kann.
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Die
elektrische Störung,
die bedingt durch die vorgenannten Spannungsspitzen bewirkt wird, die
in Folge der unzureichenden Berührungsfläche zwischen
Schleifring und Bürste
entstehen, soll demzufolge unterdrückt werden.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
oben erörterten
und anderen Nachteile und Mängel
werden durch eine dynamoelektrische Maschine überwunden oder verringert,
die umfasst: eine Läuferwelle;
zwei den magnetischen Fluss führende
Segmente, die drehbar an der Läuferwelle
angeordnet sind; eine Feldspule, die zwischen den zwei den magnetischen
Fluss führenden
Segmenten angeordnet ist, wobei die Feldspule ein Paar Spulenanschlussdrähte aufweist;
ein Isolierelement, das an einem Ende der Welle angeordnet ist;
ein Paar Schleifringe, die längs
am Isolierelement beabstandet sind und jeweilige Koppelanschlüsse aufweisen;
und eine Diode mit einem Paar Diodenanschlussdrähten, wobei jeder Diodenanschlussdraht
elektrisch an einen der zwei Spulenanschlussdrähte der Feldspule und an einen
der jeweiligen Koppelanschlüsse
angeschlossen ist, wobei die Diode so konfiguriert ist, dass sie
eine durch eine Berührungsfläche zwischen den
zwei Schleifringen und den jeweiligen Bürsten bedingte elektrische
Störung
unterdrückt.
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Bei
einer beispielhaften Ausführung
wird eine Schleifringanordnung für
eine dynamoelektrische Maschine offenbart. Die Schleifringanordnung umfasst
ein Paar Schleifringe, die längs
an einer drehbaren Welle entlang einer Längsachse beabstandet sind,
wobei das Paar Schleifringe jeweilige Koppelanschlüsse aufweist,
die sich von da aus erstrecken; und eine Diode mit einem Paar Diodenanschlussdrähten. Jeder
Diodenanschlussdraht ist so konfiguriert, dass er elektrisch an
einen von zwei Spulenanschlussdrähten
einer Feldspule und an einen der jeweiligen Koppelanschlüsse angeschlossen ist.
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Die
Diode ist so konfiguriert, dass sie eine durch eine Berührungsfläche zwischen
den zwei Schleifringen und den jeweiligen Bürsten bedingte elektrische
Störung
unterdrückt.
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Bei
einer anderen Ausführung
wird ein Wechselstromgenerator (AC) für ein Kraftfahrzeug offenbart.
Der Generator umfasst ein Gehäuse,
das ein Antriebsende und ein gegenüberliegendes Schleifringende
definiert; einen Ständer;
eine Läuferwelle;
zwei den magnetischen Fluss führende
Segmente, die drehbar an der Läuferwelle
angeordnet sind, die im Ständer
drehbar ist; eine Feldspule, die zwischen den zwei den magnetischen
Fluss führenden
Segmenten angeordnet ist, wobei die Feldspule ein Paar Spulenanschlussdrähte aufweist;
ein Isolierelement, das an einem Ende der Welle angeordnet ist;
ein Paar Schleifringe, die längs
am Isolierelement beabstandet sind und jeweilige Koppelanschlüsse aufweisen;
und eine Diode mit einem Paar Diodenanschlussdrähten. Jeder Diodenanschlussdraht
ist so konfiguriert, dass er elektrisch an einen von zwei Spulenanschlussdrähten einer
Feldspule und an einen der jeweiligen Koppelanschlüsse angeschlossen ist.
Die Diode ist so konfiguriert, dass sie eine durch eine Berührungsfläche zwischen
den zwei Schleifringen und den jeweiligen Bürsten bedingte elektrische Störung unterdrückt.
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Bei
noch einer anderen Ausführung
wird ein Verfahren zur Unterdrückung
einer elektrischen Störung
offenbart, die in einem Bürstenläufer einer
elektrischen Maschine mit Erregerwicklung entsteht. Das Verfahren
umfasst das parallele Anschließen
einer Diode an eine Feldspule an einer Läuferseite einer Berührungsfläche zwischen
Schleifring und Bürste.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1:
eine Teilschnittansicht durch einen Lundell-Drehstromgenerator,
die eine störungsunterdrückende Diode
darstellt, die betreibbar an eine Schleifringanordnung gemäß einer
beispielhaften Ausführung
gekoppelt ist;
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2:
eine Teilschnittansicht einer Läuferanordnung
des Drehstromgenerators von 1, die eine
störungsunterdrückende Diode
enthält,
die elektrisch parallel an einen entsprechenden Schleifring der
Schleifringanordnung und einen Feldspulenanschlussdraht gemäß einer
beispielhaften Ausführung angeschlossen
ist
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3:
einen Schaltplan einer beispielhaften Ausführung der Läuferanordnung der 1–2, die
elektrisch mit einer Ständeranordnung,
einer Gleichrichterbrücke,
einem Spannungsregler, elektrischen Lasten eines Fahrzeugs und einer
Batterie gemäß einer
beispielhaften Ausführung
verbunden ist; und
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4:
eine vergrößerte perspektivische
Darstellung einer rechten Seite der Läuferanordnung von 2,
die den Anschluss der störungsunterdrückenden
Diode und der sich von da aus erstreckenden jeweiligen Anschlussdrähte gemäß einer
beispielhaften Ausführung
zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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Diese
Offenbarung betrifft eine Diode, die am Läufer einer elektrischen Maschine
mit Erregerwicklung befestigt und parallel an die Feldspule angeschlossen
ist, um eine durch negative Spannungsspitzen hervorgerufene elektrische
Störung
zu unterdrücken.
Die Erfindung reduziert wesentlich die elektrische Störung, die
durch die Spannungsspitzen wegen einer unzureichenden Berührungsfläche zwischen
Schleifring und Bürste
erzeugt wird. Die Erfindung offenbart insbesondere die Diode, die
parallel zwischen den Schleifringanschlussdrähten und den Feldanschlussdrähten angeschlossen
ist und mit einer Schleifringanordnung gedreht werden kann, an der
sie befestigt ist.
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Bezug
nehmend auf 1, weist ein Drehstromgenerator 10 eine
allgemein durch das Bezugszeichen 20 gekennzeichnete Läuferanordnung
und eine allgemein durch das Bezugszeichen 15 gekennzeichnete
Ständeranordnung
auf. Die Läuferanordnung 20 umfasst
eine Welle 21, die alle drehenden Strukturen von dessen
magnetischem Schaltkreis stützt,
einschließlich
der üblichen
Polelemente oder -segmente 16A und 16B, des Läufereisens 17 und der
an einem Spulenkörper 12 aufgewickelten
Feldspule 18. Jedes Segment 16A und 16B hat
P/2 Klauenpole, wobei P eine gerade Zahl ist und die Gesamtanzahl
der Pole repräsentiert.
Zusätzlich
werden alle anderen nicht zum magnetischen Schaltkreis gehörenden drehenden
Strukturen dadurch gehalten, einschließlich Luftumwälzventilatoren 19 (nur einer
dargestellt), die an axial gegenüberliegenden Seiten
der Polelemente angeordnet sind, und einer Schleifringanordnung 30,
die an einem Außenende der
Welle angeordnet ist. Ein Ventilator (nicht dargestellt) ist aus
Blechmaterial ausgebildet und durch Punktschweißung am Polelement 16B befestigt, während der
Ventilator 19 aus einem geeigneten thermoplastischen Material
ausgebildet und durch Heißnieten
an turmförmige
Verlängerungen
(nicht dargestellt) der Feldspulenwicklung 12 angebracht ist.
Die Welle 21 wiederum wird drehbar in einem Gehäuse 26 durch
ein Paar Lager 22 (nur eines dargestellt) gestützt. Das
Lager 22 (dargestellt) ist zwischen der Schleifringanordnung 30 und
dem Ventilator 19 angeordnet.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 1 und unter Zuhilfenahme von 2,
die eine Schnittdarstellung der an die Läuferwelle 21 angebauten
erfindungsgemäßen Schleifringanordnung 30 zeigt,
sind bestimmte Merkmale der Erfindung weitaus besser verständlich.
Die Spulenanschlussdrähte 18A der Feldspule 18 sind
rings um jeweilige Anschlussstifte 12A des Spulenkörpers 12 gewickelt
und laufen durch im Ventilator 19 konfigurierte Löcher hindurch. Die
Schleifringanordnung 30 besteht aus einem Paar Kupferringen 31,
von denen jeder einen Schleifringanschlussdraht 32 aufweist,
der beispielsweise durch Schweißen
daran befestigt wurde. Die Kupferringe und Drähte sind in ein Isolierelement 80 wie
beispielsweise einen aus Duroplastmaterial gebildeten Zylinder eingeformt,
um die Schleifringanordnung zu vervollständigen. Die Schleifringanordnung 30 ist
an ein Ende der Läuferwelle 21 angepresst,
und die Schleifringanschlussdrähte 32 werden
entlang der Welle 21 in Kanälen geführt, die in 2 allgemein mit 34 gekennzeichnet
sind, wo sie beispielsweise durch Anlöten an die Spulenanschlussdrähte 18A der
Feldspule 18 angeschlossen sind.
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Weiter
Bezug nehmend auf 1 und 2 unter
Zuhilfenahme von 3, sind die Schleifringe 31 so
konfiguriert, dass sie die Läuferanordnung 20 über ein
Paar Bürsten 36 mit
elektrischem Strom versorgen, die in einem Bürstenhalter 38 im
Gehäuse 26 untergebracht
sind, um so in Kontakt mit diesen Schleifringen 31 zu gleiten.
Ein Spannungsregler 39 (3) zur Einstellung
der Größe einer
in einer Ständerwicklung 40 der
Ständeranordnung 15 erzeugten Wechselspannung
ist betreibbar mit dem Bürstenhalter 38 gekoppelt.
Die Schleifringanordnung 30 umfasst eine störungsunterdrückende Diode 100,
die betreibbar an einem freien Ende oder einem die Anordnung 30 definierenden
Ende 101 befestigt ist. Die Anschlussdrähte 102 und 104,
die sich von der Diode 100 aus erstrecken, sind parallel
an die Spulenanschlussdrähte 18a an
einer Stelle angeschlossen, wo die Spulenanschlussdrähte 18a an
die Schleifringanschlussdrähte 32 angeschlossen
sind, die sich vom Ende 101 der Schleifringanordnung 30 aus
erstrecken. Bei einer beispielhaften Ausführung hat die störungsunterdrückende Diode
eine axiale Anschlussdrahtkonfiguration und kann Spannungen von
bis zu ungefähr
30 V aushalten.
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Ein
Gleichrichter 42 zur Umwandlung des im Ständer 40 erzeugten
Wechselstroms in Gleichstrom ist im Gehäuse 26 befestigt,
wobei der Gleichrichter 42 aus einem Dreiphasen-Vollweggleichrichter
besteht, in dem jeweils drei Diodenpaare parallel angeschlossen
sind, wobei jedes Diodenpaar aus einer plusseitigen Diode d1 und einer minusseitigen Diode d2 besteht, die in Reihe geschaltet sind (siehe 3). Die
Ausgangsleistung des Gleichrichters 42 kann einer Akkumulatorenbatterie 44 und
einer elektrischen Last 46 zugeführt werden.
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Wie
oben beschrieben, besteht die Läufereinheit 20 aus:
der Feldwicklung 18 zur Erzeugung eines magnetischen Flusses
bei Durchfließen
eines elektrischen Stromsund den Polkernen bzw. Polsegmenten 16A und 16B,
die so angeordnet sind, dass sie die Feldwicklung 18 abdecken,
wobei der durch die Feldwicklung 18 erzeugte magnetische
Fluss Magnetpole in den Segmenten 16A und 16B bildet.
Die Segmente 16A und 16B bestehen vorzugsweise
aus Eisen und haben zwei erste und zweite klauenförmige Magnetpole 50 bzw. 52,
die an einem äußeren Umfangsrand
angeordnet und zueinander versetzt in Umfangsrichtung ausgerichtet
sind, um so axial überzustehen;
die Endsegment-Polkerne 50 und 52 sind an der
Welle 21 befestigt, liegen einander so gegenüber, dass
der Klauenpol eines Kerns auf einen Spalt ausgerichtet ist, der
zwischen benachbarten Klauenpolen des anderen Kerns definiert ist,
und greifen mit den gegenüberliegenden
Magnetpolen des anderen Kerns ineinander, wie es in der Technik
von Lundell-Läuferanordnungen
bekannt ist.
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In
der auf diese Weise konstruierten dynamoelektrischen Maschine 10 wird
beim Start ein elektrischer Strom von der Akkumulatorenbatterie 44 über die
Bürsten 36 und
die Schleifringe 31 an die Feldwicklung 18 angelegt,
wobei ein magnetischer Fluss entsteht. Sobald der Drehstromgenerator
einschaltet und Strom erzeugt, liefert er intern den Feldstrom.
Die ersten klauenförmigen
Magnetpole 50 des Segments 16A werden durch diesen
magnetischen Fluss zu einer festen Polarität magnetisiert [beispielsweise
den Norden (N) suchende Pole], während
die zweiten klauenförmigen
Magnetpole 52 des Segments 16B zur entgegengesetzten
Polarität
magnetisiert werden [beispielsweise den Süden (S) suchende Pole]. Gleichzeitig
wird das Drehmoment vom Verbrennungsmotor über den Riemen (nicht dargestellt)
und die Riemenscheibe (nicht dargestellt) zur Welle 21 übertragen
und die Läufereinheit 20 somit
gedreht. Demzufolge wird ein drehendes Magnetfeld zur Ankerwicklung 40 der
Ständeranordnung 15 übertragen,
das eine Spannung quer über die
Ankerwicklung 40 erzeugt. Eine Wechselstrom-Urspannung
aus der quer über
der Ankerwicklung 40 induzierten Spannung läuft durch
den Gleichrichter 42 und wird in einen Gleichstrom umgewandelt,
dessen Größe durch
den Spannungsregler 39 eingestellt wird; dabei wird die
Akkumulatorenbatterie 44 geladen und der Strom der elektrischen
Last 46 zugeführt.
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Bezug
nehmend auf 4, kann die Schleifringanordnung 30 von 1-3 das
Isolierelement 80 umfassen, das aus Kunststoff wie beispielsweise
Polyphenylensulfid geformt ist und die gewünschten Kriech- und Maßeigenschaften
aufweist, um eine den Endabmessungen entsprechende Anordnung zu
bilden und auch die geeigneten Zug- und Stoßeigenschaften aufzuweisen.
Die Schleifringe 31 können
mit einem üblichen
Kaltformverfahren hergestellt werden, wobei jeder Schleifring 31 durchgehend
rings um seinen jeweiligen Umfang verläuft und einen sich von da aus
erstreckenden Anschluss 32 mit geeigneter Länge aufweist.
Die Schleifringe 31 werden im Gießverfahren mit Einspritzteil
in die Schleifringanordnung 30 eingeformt, wobei die Schleifringanschlüsse 32 als
erstes Positioniermerkmal und der Außendurchmesser der Schleifringe 31 als
zweites Positioniermerkmal dienen. Zur Herstellung der Schleifringanordnung
kann eine übliche
gerade Zugform verwendet werden.
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Bei
einer in 4 dargestellten beispielhaften
Ausführung
umfasst die Schleifringanordnung 30 eine geformte Stützwand 110,
die vom Ende 101 aus verläuft, um die Diode 100 zu
stützen.
Die Stützwand 110 umfasst
eine geformte Blockanordnung 112 mit einem darin konfigurierten
Hohlraum 114, um einen Körperteil der Diode 100 aufzunehmen;
sie umfasst außerdem
Schlitze 116, die an gegenüberliegenden Enden der Blockanordnung 112 angeordnet
sind, damit die entsprechenden Diodenanschlussdrähte 102 und 104 von
da aus verlaufen können
und in die Blockanordnung 112 eingeführt und daraus herausgeführt werden
können.
Die Stützwand 110 ist
so konfiguriert, dass sie die Diode 100 hält, während die
Welle 21 die an ihr befestigte Schleifringanordnung 30 dreht.
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Das
Ende 101 der Anordnung 30 umfasst gegenüberliegende Öffnungen 120,
die so konfiguriert sind, dass die entsprechenden Schleifringdrahtanschlüsse 32 und
ein jeweiliger Feldanschlussdraht 18A dadurch verlaufen
können,
um elektrisch an den jeweiligen Diodenanschlussdraht 102, 104 (allgemein
bei 122 gekennzeichnet) angeschlossen zu sein.
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Gegebenenfalls
kann überflüssiges Isoliermaterial
dort abgestreift werden, wo die Spulenanschlussdrähte 18A aus
dem Ende der Schleifringanordnung durch die Öffnungen 120 austreten;
und jeder Spulenanschlussdraht ist bei 122 am jeweiligen Schleifringanschluss 32 befestigt.
Vorzugsweise werden die Schleifringanschlüsse 32 rings um den Durchmesser
der Spulenanschlussdrähte
und Diodenanschlussdrähte 102, 104 angequetscht
und dann verschweißt
oder verlötet.
Dieser elektrische Anschluss verbindet die Diode in Parallelschaltung mit
der Feldspule und unterdrückt
die Spannungsspitzen, die bedingt durch eine unzureichende Berührungsfläche zwischen
Schleifring und Bürste
hervorgerufen werden.
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Mit
der beschriebenen Schleifringanordnung werden wesentliche Vorteile
für die
Drehstromgenerator-Anordnung realisiert. Die offenbarte Erfindung löst das technische
Problem bei minimalen Kosten im Vergleich zu den Alternativen. Sie
ermöglicht
ferner die Verwendung einer Bürstenkonstruktion,
die wesentliche Leistungs- und Größenvorteile gegenüber einer
bürstenlosen
Konstruktion aufweist. Das Anordnen einer quer über die Feldspulenwicklung
angeschlossenen Diode ermöglicht
die Ableitung der Spannungsspitzen, die entstehen können, da
der leitende Zustand der Berührungsfläche zwischen
den Bürsten
und den entsprechenden Schleifringen während des Generatorbetriebs
variiert.
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Obwohl
die Integration der beispielhaften störungsunterdrückenden
Diode in eine Schleifringanordnung für die Verwendung mit Fahrzeugbezogenen
Generatoren beschrieben wurde, kann man sie auch bei anderen Anwendungen
als Fahrzeuggeneratoren verwenden und integrieren, wo die elektrische
Störung
unterdrückt
oder reduziert werden soll.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführung beschrieben
wurde, versteht sich für
den Fachmann, dass man verschiedene Änderungen durchführen und
Elemente davon durch gleichwertige Elemente ersetzen kann, ohne vom
Umfang der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche Modifikationen
vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles
Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem
Umfang abzuweichen. Folglich besteht die Absicht, dass die Erfindung
nicht auf die besondere Ausführung,
die als die beste Betriebsart für
die Durchführung
dieser Erfindung vorgesehene offenbart wurde, beschränkt bleibt,
und dass die Erfindung jedoch alle Ausführungen einschließt, die
innerhalb des Umfangs der Patentansprüche liegen.