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Diese Anmeldung basiert auf der am 15. Dezember 2004 eingereichten japanischen Patentanmeldung
JP 2004 - 363 137 A (entspricht Publikationsnr.
JP 2006 - 174 592 A ) und nimmt diese hierin durch Bezug auf.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Anmeldung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende Elektromaschine mit einer Feldwicklung, welche mit einer Ankerwicklung in Reihe verbunden ist, und insbesondere einen verbesserten Aufbau, welcher eine Spannungsausgleichsleitung enthält, die mit der Feldwicklung verbunden ist.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Typ von Reihenwicklungselektromotor ist z. B. wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 2 841 872 B2 beschrieben, bekannt, in welcher wie in dem Schaltplan von
5 dargestellt eine Feldwicklung
100 und eine Ankerwicklung
110 über Bürsten
120a,
120b,
120c,
120d, in Reihe verbunden sind, wobei die Ankerwicklung
110 auf dem Rotor des Motors ausgebildet ist.
6 ist ein Entwicklungsdiagramm (developed diagram), welches
5 entspricht, das den physikalischen Aufbau der Feldwicklung
100 darstellt. Ein Hochpotential (welches als ein positives Potential angenommen wird) einer Versorgungsspannungsquelle wird von einem mit M bezeichneten Versorgungsanschluß angelegt, während die Niederpotentialseite (z. B. Massepotential) der Versorgungsspannung von einem mit E bezeichneten Versorgungsanschluß angelegt wird. Die Feldwicklung
100 ist aus vier Feldspulen
101,
102,
103 und
104 ausgebildet, welche als zwei reihenverbundene Spulengruppen in Reihe verbunden sind, d. h. diese sind in dem Beispiel von
5 jeweils durch das Paar von Feldspulen
101,
102 und das Paar von Feldspulen
103,
104 gebildet. Die beiden reihenverbundenen Spulengruppen sind wie gezeigt parallel verbunden, wobei die Niederpotentialenden der Feldspulen
102,
104 mit den Bürsten
120a,
120b mit positiver Polarität verbunden sind und ebenfalls über einer Spannungsausgleichsleitung
150 wie in
6 gezeigt zwischen jeweiligen Verbindungspunkten, welche in
5 als A, B bezeichnet sind, gegenseitig verbunden sind. Die Hochpotentialenden der Feldspulen
101,
103 sind jeweils mit dem Versorgungsanschluß M verbunden. Das Niederpotentialende der Feldspule
101 und das Hochpotentialende der Feldspule
102 sind durch eine Überkreuzungsleitung
130, wie in
6 gezeigt, verbunden, während das Niederpotentialende der Feldspule
103 und das Hochpotentialende der Feldspule
104 gleichermaßen durch eine Überkreuzungsleitung
140 verbunden sind, wobei jede der Überkreuzungsleitungen
130,
140 aus einem Metall ausgebildet ist, welches einen hohen Wert elektrischer Leitfähigkeit aufweist.
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Die Verbindung der Spannungsausgleichsleitung 150 zwischen den Verbindungspunkten A, B der Feldspulen 102, 104, als Kurzschluß zwischen diesen Punkten, dient dazu, einen zirkulierenden Strom zu leiten, welcher in der Ankerwicklung in Folge von Schwankungen der Ankerleistung produziert wird. Demzufolge fließt der zirkulierende Strom der Ankerwicklung, wie durch die Pfeillinien in 5 gezeigt, hauptsächlich durch die Spannungsausgleichsleitung 150. Da beinahe kein zirkulierender Strom durch die Feldwicklung 100 fließt, werden somit Zunahmen der Eisenverluste in dem Feldkern aufgrund von Fluktuationen des Gesamtstroms, welcher durch die Feldwicklung 100 fließt, welche durch einen solchen zirkulierenden Strom verursacht werden, im wesentlichen verhindert. Ein Drehmomentverlust aufgrund eines solchen zirkulierenden Stromflusses in der Feldwicklung 100 wird ebenfalls vermieden.
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7 ist eine Graphik, welche die jeweiligen Charakteristiken des Elektromotors für den Fall, in welchem die Spannungsausgleichsleitung 150 verwendet wird, und dem Fall, in welchem diese nicht verwendet wird, vergleicht. Wie ersichtlich ist, wird der Nulllaststrom im Vergleich zu dem Fall, in welchem die Spannungsausgleichsleitung 150 nicht enthalten ist, verringert, wenn die Spannungsausgleichsleitung 150 enthalten ist. Zusätzlich wird die Gleichrichtungseffizienz (wenn die rotierende Elektromaschine als ein Gleichrichtermotor aufgebaut ist) erhöht, wenn die Spannungsausgleichsleitung 150 enthalten ist.
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Wie jedoch von der Querschnittsansicht der 8 ersichtlich ist, welche die innerhalb des Elektromotors verbaute Feldwicklung 100 zeigt, verläuft die Spannungsausgleichsleitung 150 entlang dem inneren Umfang des Jochs 160, so daß es notwendig ist, eine elektrische Isolierung vorzusehen, welche die Spannungsausgleichsleitung 150 bedeckt, und es ebenfalls notwendig ist, Spalte zu elektrischen Isolierungen zwischen den Verbindungspunkten (Schweißbereichen) an der Spannungsausgleichsleitung 150 und dem inneren Umfang des Jochs 160 vorzusehen. Demzufolge erhöht sich der Außendurchmesser des Jochs 160 entsprechend, wenn die Spannungsausgleichsleitung 150 enthalten ist, und es ergibt sich daher das Problem, daß der Gesamtdurchmesser des Elektromotors dadurch zunimmt.
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Überdies resultiert die Aufnahme der Spannungsausgleichsleitung 150 zusätzlich zu den Verbindungspunkten (Schweißbereichen), die zum Verbinden der Feldspulen der Feldwicklung 100 mit den Überkreuzungsleitungen 130, 140 notwendig sind, darin, daß die Gesamtanzahl der Schweißbereiche um zwei zunimmt, d. h. es gibt nun insgesamt sechs Schweißbereiche. Es kommt daher zu einer Zunahme der Herstellungskosten infolge der Aufnahme der Spannungsausgleichsleitung 150.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung das obige Problem durch Vorsehen einer elektrischen Rotationsmaschine, welche eine Spannungsausgleichsleitung enthält, die die oben beschriebene Funktion aufweist, zu bewältigen, wodurch der Außendurchmesser der elektrischen Rotationsmaschine kleiner dimensioniert werden kann als dies im Rahmen des Standes der Technik möglich ist, wenn eine solche Spannungsausgleichsleitung enthalten ist. Die Gesamtgröße der elektrischen Rotationsmaschine kann daher verkleinert werden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine rotierende Elektromaschine vorzusehen, welche eine Spannungsausgleichsleitung enthält, die die oben beschriebene Funktion aufweist, aber wodurch die Gesamtanzahl der Verbindungspunkte (Schweißbereiche), welche bei dem Herstellen der elektrischen Rotationsmaschine ausgebildet werden müssen im Vergleich zum Stand der Technik verringert werden kann.
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Um die obigen Ziele zu erreichen sieht die Erfindung entsprechend einem ersten Aspekt eine rotierende Elektromaschine vor, welche folgendes aufweist: ein Joch, eine Spannungsausgleichsleitung, zwei Überkreuzungsleitungen, eine Feldwicklung, und eine mit der Feldwicklung in Reihe verbundene Ankerwicklung, wobei die Feldwicklung vier Feldspulen aufweist, welche jeweils an einer Innenumfangsperipherie des Jochs angeordnet sind, aufweist, und die Feldspulen als zwei in Reihe verbundene Spulengruppen untereinander verbunden sind, wobei jede der in Reihe verbundenen Spulengruppen zwei der Feldspulen aufweist, welche über eine entsprechende Überkreuzungsleitung in Reihe verbunden sind, und wobei die beiden in Reihe verbundenen Spulengruppen parallel verbunden sind. Eine rotierende Elektromaschine entsprechend der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsausgleichsleitung derart elektrisch angeordnet ist, so daß diese die Überkreuzungsleitungen direkt miteinander verbindet.
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Die Spannungsausgleichsleitung kann demzufolge an einer Radialposition angeordnet sein, welche im Wesentlichen mit der der Überkreuzungsleitungen identisch ist, so daß es nicht notwendig ist, die Spannungsausgleichsleitung nahe an der Innenumfangsperipherie des Jochs anzuordnen, wie es zuvor bei einer solchen Art von elektrischer Rotationsmaschine, welche eine Spannungsausgleichsleitung verwendet, notwendig war. Es ist dadurch nicht notwendig, den Außendurchmesser des Jochs zu erhöhen, um die Spannungsausgleichsleitung aufzunehmen, da ein ausreichend großer Isolierspalt zwischen der Spannungsausgleichsleitung und der Innenumfangsperipherie des Jochs hergestellt werden kann.
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Der Außendurchmesser des Jochs (und somit der Gesamtaußendurchmesser der elektrischen Rotationsmaschine) kann daher kleiner dimensioniert werden als dies bei vorherigen Typen solcher Rotationsmaschinen möglich war, welche eine Spannungsausgleichsleitung verwenden, die um einen Teil des Innenumfangs des Jochs herum verläuft.
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Im Rahmen eines anderen Aspekts können die Überkreuzungsleitungen und die Spannungsausgleichsleitung zu einem einzelnen Element integriert werden, welches aus einem Material ausgebildet ist, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Dies ermöglicht es, die Anzahl der zusetzenden Schweißpunkte bedeutend zu verringern. D. h. es ist nicht länger notwendig, jeweilige Enden der Überkreuzungsleitungen mit der Spannungsausgleichsleitung zu verschweißen, wie es im Rahmen des Standes der Technik notwendig war. Die Herstellungskosten können daher verringert werden.
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Im Rahmen eines weiteren Aspekts kann eine solche rotierende Elektromaschine mit einer Ankerwicklung, welche auf einem Ankereisenkern schleifengewickelt ist, vorteilhaft ausgebildet werden. In diesem Fall kann der Nulllaststrom der elektrischen Rotationsmaschine (wenn diese als ein Motor betrieben wird) verringert werden und die Gleichrichtungseffizienz (wenn die rotierende Elektromaschine als ein Gleichrichtermotor betrieben wird) verbessert werden.
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Zusätzlich kann jede der Bürsten, wenn die rotierende Elektromaschine unter Verwendung von Gleichrichterelementen zum Gleichrichten des Stroms, der durch die Ankerwicklung fließt und einer Mehrzahl von Bürsten als ein Gleichrichtermotor betrieben wird, vorteilhafterweise aus zwei Schichten jeweils unterschiedliche Materialien ausgebildet werden, welche jeweils unterschiedliche spezifische Widerstandswerte aufweisen. Die verbesserte Gleichrichtungseffizienz, welche von der Aufnahme der Spannungsausgleichsleitung resultiert, kann dadurch weiter verbessert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Querschnittsansicht, welche Abschnitte einer Ausführungsform eines Elektromotors betreffend der Feldwicklung entlang der Rotorachse zeigt;
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2 ist ein Schaltplan der Ausführungsform;
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3 ist ein Entwicklungsdiagramm, welches die Feldwicklung der Ausführungsform darstellt;
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4 zeigt Graphiken von Betriebscharakteristiken der Ausführungsform;
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5 ist ein Schaltplan eines Beispiels des Standes der Technik eines Elektromotors, welcher eine Spannungsausgleichsleitung enthält;
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6 ist ein Entwicklungsdiagramm, welches die Feldwicklung des Beispiels des Standes der Technik darstellt;
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7 zeigt Graphiken von Betriebscharakteristiken des Beispiels des Standes der Technik; und
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8 ist eine Querschnittsansicht, welche Abschnitte des Beispiels des Standes der Technik betreffend der Feldwicklung entlang der Rotorachse zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist eine partielle Querschnittsansicht entlang einer Ebene, welche zu der Rotorachse rechtwinklig ist, einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Rotationsmaschine, und welche die Feldwicklung und zugehörige Komponenten zeigt. 2 ist ein Schaltplan der Ausführungsform und 3 ist ein entsprechendes Entwicklungsdiagramm (developed diagram), welches den physikalischen Aufbau der Feldwicklung der Ausführungsform darstellt.
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Die Ausführungsform ist ein reihengewickelter Elektromotor, und was das Beispiel des Standes der Technik der 5 angeht, wird angenommen, daß ein positives Potential einer Versorgungsspannung von einem Versorgungsanschluß M an einen Motor angelegt wird, während das Niederpotential der Versorgungsspannung von einem Versorgungsanschluß E angelegt wird. Der Motor weist eine Feldwicklung 1 und eine Ankerwicklung 2 auf, welche über die Bürsten 3a, 3b mit positiver Polarität in Reihe verbunden sind. Eine solche rotierende Elektromaschine könnte typischerweise als ein Anlassermotor eines Fahrzeugs verwendet werden.
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Die Ankerwicklung 2 ist aus vier Ankerspulen 2a, 2b, 2c und 2d ausgebildet, welche auf bzw. über jeweiligen Segmenten eines Ankerkerns (in den Zeichnungen nicht gezeigt) ausgebildet sind, während die Feldwicklung 1 aus vier Feldspulen 1a, 1b, 1c und 1d ausgebildet ist, welche als zwei in Reihe verbundene Spulengruppen, welche jeweils durch das Paar von Feldspulen 1a, 1b und das Paar von Feldspulen 1c, 1d gebildet sind, in Reihe verbunden sind. Die beiden in Reihe verbundenen Spulengruppen sind zusätzlich, wie gezeigt, parallel verbunden.
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Die vier Feldspulen 1a bis 1d sind als wellengewickelte Spulen auf jeweiligen Polkernen (in den Zeichnungen nicht gezeigt) ausgebildet, welche mit gestreckten Winkeln geformt sind. Wie in 1 gezeigt, sind die vier Feldspulen 1a bis 1d in gleichen Umfangsabständen um den inneren Umfang eines Jochs 4 des Motors herum angeordnet. Die Hochpotentialenden der Feldspulen 1a, 1c sind jeweils über den Leiter 5 mit dem Versorgungsanschluß M verbunden, während die Niederpotentialenden der Feldspulen 1b, 1d mit den Bürsten 3a, 3b mit positiver Polarität verbunden sind.
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Die Motorleitung 5 ist mit dem positiven Anschluß der Fahrzeugbatterie über einen elektromagnetischen Schalter (in den Zeichnungen nicht gezeigt) verbunden, so daß wenn der Schalter geschlossen wird, Feldstrom von der Fahrzeugbatterie durch die Verbindungsleitung 5 und durch die Feldspulen 1a bis 1d fließt.
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Das Niederpotentialende der Feldspule 1a und das Hochpotentialende der Feldspule 1b sind, wie in 1 gezeigt, durch eine Überkreuzungsleitung 6 verbunden, während das Niederpotentialende der Feldspule 1c und das Hochpotentialende der Feldspule 1d gleichermaßen durch eine Überkreuzungsleitung 7 verbunden sind, wobei jede der Überkreuzungsleitungen 6 und 7 aus einem Metall ausgebildet ist, welches einen hohen Wert elektrischer Leitfähigkeit aufweist.
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Wie in den 1 und 3 gezeigt, werden jeweilige Spulenendabschnitte 1a, 1b der Feldspulen 1a, 1b von den inneren Umfangsseiten dieser Feldspulen herausgeführt und sind jeweils durch Verschweißen mit der Überkreuzungsleitung 6 verbunden, wobei ein Isolierspalt ausreichender Größe zwischen den Spulenendabschnitten 1ae, 1be und dem Joch 4 ausgebildet ist. Jeweilige Spulenendabschnitt 1ce, 1de der Feldspulen 1c, 1d sind gleichermaßen angeordnet und jeweils durch Verschweißen mit der Überkreuzungsleitung 7 verbunden.
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Eine Spannungsausgleichsleitung 8, welche mit den Überkreuzungsleitungen 6 und 7 integral ausgebildet ist, und daher aus einem Metall ausgebildet ist, welches einen hohen Wert elektrischer Leitfähigkeit aufweist, ist zwischen den Überkreuzungsleitungen 6 und 7, wie in den 1 und 3 gezeigt, verbunden. Das Niederpotentialende der Feldspule 1a und das Hochpotentialende der Feldspule 1b sowie das Niederpotentialende der Feldspule 1c und das Hochpotentialende der Feldspule 1d sind demzufolgen durch die Spannungsausgleichsleitung 8 elektrisch verbunden. Das heißt, die Überkreuzungsleitung 6, die Überkreuzungsleitung 7 und die Spannungsausgleichsleitung 8 sind integral als ein einzelner Leiter gebildet.
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Bei einem solchen Aufbau kann die Spannungsausgleichsleitung 8 an einer Radialposition angeordnet sein, welche im Wesentlichen mit der der beiden Überkreuzungsleitungen 6 und 7 identisch ist, so daß es nicht notwendig ist die Spannungsausgangsleitung 8 nahe dem inneren Umfang des Jochs 4 anzuordnen, wie es in dem oben beschriebenen Beispiel des Standes der Technik erforderlich ist. Es ist somit nicht nötig, den äußeren Durchmesser des Jochs 4 zu erhöhen, um die Spannungsausgleichsleitung 8 aufzunehmen, da zwischen der Spannungsausgleichsleitung 8 und dem inneren Umfang des Jochs 4 ein Isolierspalt ausreichender Größe angeordnet ist. Es ist dadurch des weiteren unnötig, eine elektrische Isolierung auszubilden, welche die Spannungsausgleichsleitung 8 bedeckt.
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Der Außendurchmesser des Jochs 4 kann somit im Vergleich zu einem vorhergehend verwendeten, wie dem oben beschriebenen Aufbau der 8 verringert werden und der Gesamtdurchmesser des Elektromotors kann daher verringert werden.
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Es ist anhand der obigen Ausführungen sowie den 1 und 3 ersichtlich, daß die Spannungsausgleichsleitung 8 und die Überkreuzungsleitungen 6 und 7 als ein einzelnes, sich fortlaufend erstreckendes Element ausgebildet werden können, welches aus einem Metall ausgebildet ist, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Es wird dadurch unnötig, ein Schweißen zum Verbinden der Spannungsausgleichsleitung 8 mit den Überkreuzungsleitungen 6 und 7 durchzuführen, so daß die Gesamtanzahl der Schweißpunkte im Vergleich zu dem oben beschriebenen Beispiel des Standes der Technik verringert wird. D. h., während es in dem Beispiel des Standes der Technik notwendig ist, insgesamt sechs Schweißbereiche vorzusehen, sind in dieser Ausführungsform nur vier Schweißbereiche erforderlich, d. h. an den Verbindungspunkten zwischen den Überkreuzungsleitungen 6, 7 und den Feldspulen 1a bis 1d.
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Demzufolge können die Herstellungsarbeiten verringert werden und eine solche rotierende Elektromaschine kann zu geringeren Kosten produziert werden.
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In dieser Ausführungsform fließt der in der Ankerwicklung produzierte zirkulierende Strom, wie oben beschrieben, infolge der Änderung der Verbindungspunkte der Spannungsaugleichsleitung von den Punkten A, B, wie in 5 gezeigt, zu jeweiligen Enden der Überkreuzungsleitungen 6 und 7, wie durch die Pfeillinie in 2 dargestellt, durch die Feldspulen 1b und 1d. Aufgrund der Tatsache, daß die Spannungsausgleichsleitung dazu dient in der Feldwicklung 1 auftretende Stromfluktuationen zu unterdrücken, kommt es jedoch zu keiner bedeutenden Zunahme der Eisenverluste in dem Feldwicklungskern oder einer Verringerung des Drehmoments (aufgrund des zirkulierenden Stroms) im Vergleich zu dem in 5 gezeigten Verfahren des Standes der Technik.
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Dies wird durch die Graphiken der 4 demonstriert, welche zeigen, daß die elektrischen Charakteristiken eines Elektromotors, welcher entsprechend der obigen Ausführungsform aufgebaut ist, und einem (sonst identischen) Elektromotor, welcher wie auf 5 bezugnehmend beschrieben aufgebaut ist, im Wesentlichen identisch sind. Die Spannungsausgleichleitung dieser Ausführungsform bietet daher die gleichen Vorteile wie durch die Spannungsausgleichleitung 150 des Beispiels des Standes der Technik geboten werden, d. h. eine Verringerung des Niveaus des Nulllaststroms und eine erhöhte Gleichrichtungseffizienz.
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Modifikationen der Ausführungsform
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Es sollte beachtet werden, daß es zusätzlich zu dem Setzen der Verbindungsposition der Spannungsausgleichsleitung 8 wie in Bezug auf die obige Ausführungsform beschrieben möglich ist, eine weitere Verringerung des Nulllaststroms und eine erhöhte Gleichrichtungseffizienz (wenn die rotierende Elektromaschine als ein Gleichrichtermotor aufgebaut ist) durch Ausbilden der Ankerwicklung 2 als eine Schleifenwicklung zu erreichen.
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Die Erhöhung der Gleichrichtungseffizienz, welche durch die obige Ausführungsform vorgesehen wird kann alternativ ferner durch Einsetzen eines zweischichtigen Aufbaus der Bürsten verbessert werden. In diesem Fall ist jede Bürste aus zwei Materialschichten ausgebildet, welche jeweils unterschiedliche Werte elektrischer Leitfähigkeit aufweisen.
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Die Erfindung ist des weiteren für den Fall der ersten Ausführungsform als reihengewickelter Elektromotor beschrieben worden. Die Erfindung wäre jedoch gleichermaßen auf einen Elektromotor mit Doppelschlußwicklung anwendbar, in welchem eine Feldwicklung vorgesehen ist, die mit der Ankerwicklung 2 in Reihe verbunden ist und eine Feldwicklung, die mit der Ankerwicklung 2 parallel verbunden ist.
