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Die
Erfindung betrifft einen Synchronmotor mit einer Anzahl von Statorspulen
und mit einem Läufer,
der mindestens einen Permanentmagneten aufweist. Die Erfindung betrifft
weiterhin ein Motorsystem mit einem solchen Synchronmotor sowie
ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Motorsystems.
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Ein
Synchronmotor weist üblicherweise
eine Anordnung mit Statorspulen auf, die jeweils in geeigneter Weise
mit einem Antriebsstrom angesteuert werden, um ein Antriebs-Magnetfeld
zu erzeugen. Das Antriebs-Magnetfeld treibt einen mit mindestens einem
Permanentmagneten versehenen Läufer
an. Bei einem als Rotor ausgebildeten Läufer wird das Antriebs-Magnetfeld
stets so angelegt, dass es senkrecht zu einer Hauptflussrichtung
des durch den Permanentmagneten bewirkten Läufer-Magnetfelds besteht.
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Ein
Synchronmotor zeichnet sich dadurch aus, dass der Läufer lediglich
Permanentmagnete und keine Spulen umfasst und somit keinen Kommutator
oder sonstige Einrichtungen mit Bürsten, Schleifern und dergleichen
benötigt,
um einen Spulenstrom dem Läufer
zuzuführen.
Bei einigen Anwendungen, die einen Synchronmotor verwenden, kann
es jedoch notwendig sein, dass ein Versorgungsstrom auf dem Läufer benötigt wird,
um einen dort befindlichen Verbraucher mit elektrischer Energie
zu versorgen.
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Der
Einsatz eines Kommutators oder sonstigen Einrichtungen, die Schleifer
oder Bürsten
verwenden, um einen Versorgungsstrom auf den Läufer zu bringen, ist nachteilhaft,
da diese einen erhöhten Verschleiß aufweisen
und daher für
einen ordnungsgemäßen Betrieb
regelmäßig gewartet
werden müssen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Synchronmotor zur
Verfügung
zu stellen, bei dem auf dem Läufer
ein zusätzlicher
Versorgungsstrom bereitgestellt werden kann, ohne dass Einrichtungen
mit einem erhöhten
Verschleiß für das Bereitstellen
des Versorgungsstrom benötigt
werden. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Motorsystem
sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Motorsystems zur
Verfügung
zu stellen, bei denen bei niedrigem Verschleiß ein Versorgungsstrom läuferseitig
bereitgestellt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch den Synchronmotor nach Anspruch 1, das Motorsystem
nach Anspruch 8 sowie das Verfahren zum Betreiben eines solchen
Motorsystems nach Anspruch 10 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Synchronmotor vorgesehen, der
eine Anzahl von Statorspulen und einen Läufer mit mindestens einem Permanentmagneten
aufweist. Der Permanentmagnet auf dem Läufer bewirkt ein Läufer-Magnetfeld in einer
Hauptflussrichtung. An dem Läufer
ist weiterhin mindestens eine Spulenwicklung angebracht, um durch
eine Komponente eines mit Hilfe der Statorspulen angelegen Wechsel-Magnetfeldes
einen Sekundärstrom
in der Spulenwicklung zu induzieren, der durch einen an dem Läufer anordbaren
Verbraucher abgreifbar ist.
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Der
erfindungsgemäße Synchronmotor
ermöglicht
es in einfacher Weise, einen Versorgungsstrom in die an dem Läufer angeordnete
Spulenwicklung zu induzieren, lediglich durch die Verwendung der
Statorspulen, so dass zusätzliche
Primärwicklungen
an dem Stator nicht notwendig sind. Dazu werden an den Statorspulen
neben dem zum Antreiben des Läufers
benötigten
Antriebsströmen
auch entsprechende Primärströme angelegt,
die ein Wechsel-Magnetfeld in Richtung der Wicklungsachse der an
dem Läufer
angeordneten Spulenwicklung erzeugen, um in der Spulenwicklung ein
Sekundärstrom
zu induzieren. Dadurch steht auf dem Läufer als Sekundärstrom ein
Versorgungsstrom zur Verfügung,
ohne dass eine verschleißanfällige Bürsten- oder
Schleifereinrichtung zur Übertragung
des Versorgungsstromes vorgesehen werden muss.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist an dem Läufer
ein Verbraucher vorgesehen, der mit der Spulenwicklung verbunden
ist, um den Sekundärstrom
an den Verbraucher anzulegen.
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Vorzugsweise
ist die Spulenwicklung an dem Läufer
angeordnet, so dass ihre Wicklungsachse parallel zur Hauptflussrichtung
des durch den Permanentmagneten bewirkten Läufer-Magnetfelds verläuft. Dadurch
kann das zum Induzieren des Versorgungsstroms an die Statorspulen
angelegte Wechsel-Magnetfeld das Antriebs-Magnetfeld zum Antreiben
des Läufers
nicht beeinflussen, da das Wechsel-Magnetfeld keine zusätzliche
Antriebskraft auf den Läufer
bewirkt.
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Weiterhin
kann der Läufer
einen Rotor aufweisen, wobei der an dem Rotor angeordnete, mindestens
eine Permanentmagnet ein Magnetfeld mit mindestens einer radialen
Komponente bezüglich
einer Rotorachse bewirkt.
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Vorzugsweise
umschließt
die Spulenwicklung den mindestens einen Permanentmagneten zumindest
teilweise.
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Weiterhin
können
sich Pole des mindestens einen Permanentmagneten bezüglich einer
Rotorachse des Rotors gegenüberliegen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann der Synchronmotor als Linearsynchronmotormotor
ausgebildet sein, wobei die Anzahl von Statorspulen in einer Längsrichtung
angeordnet ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Motorsystem mit
einem zuvor beschriebenen Synchronmotor und mit einer Steuereinheit
vorgesehen, um den Synchronmotor anzutreiben, indem die Statorspulen
mit einem jeweiligen Antriebsstrom so angesteuert werden, dass ein Antriebs-Magnetfeld in einer
Richtung senkrecht zu der Hauptflussrichtung erzeugt wird, wobei
die Steuereinheit weiterhin gestaltet ist, um den jeweiligen Antriebsstrom
mit einem jeweiligen Primärstrom
zu überlagern,
der das Wechsel-Magnetfeld in einer Richtung erzeugt, in der ein
Sekundärstrom
in der Spulenwicklung induzierbar ist, insbesondere in der Hauptflussrichtung
des mindestens einen Permanentmagneten.
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Die
Verwendung der Statorspulen sowohl zum Anlegen des Antriebs-Magnetfeldes
als auch zum Induzieren des Versorgungsstroms in die Spulenwicklung
ermöglicht
es, auf eine zusätzliche
Primärwicklung
zu verzichten, um den Versorgungsstrom in die Spulenwicklung zu
induzieren.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um dem mit
dem entsprechenden Primärstrom überlagerten
jeweiligen Antriebsstrom einen entsprechenden Feldschwächungsstrom
zu überlagern,
so dass ein Gleichmagnetfeld in der Hauptflussrichtung erzeugt wird,
um den Synchronmotor in einem Feldschwächungsbetrieb zu betreiben.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Betreiben eines Motorsystems mit einem zuvor beschriebenen Synchronmotor
vorgesehen, wobei der Synchronmotor angetrieben wird, indem die
Statorspulen mit einem Antriebsstrom so angesteuert werden, dass
ein Antriebs-Magnetfeld
in einer Richtung senkrecht zu der Hauptflussrichtung erzeugt wird,
wobei der Antriebsstrom mit einem Primärstrom überlagert, der das Wechsel-Magnetfeld
in einer Richtung erzeugt, bei der ein Sekundärstrom in die Spulenwicklung induziert
wird, insbesondere in der Hauptflussrichtung des mindestens einen
Permanentmagneten.
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Ferner
kann dem mit dem jeweiligen Primärstrom überlagerten
entsprechenden Antriebsstrom ein Feldschwächungsstrom überlagert
werden, um ein Gleichmagnetfeld in der Hauptflussrichtung zu erzeugen,
so dass ein Feldschwächungsbetrieb
des Synchronmotors durchführbar
ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Motorsystems gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Linearsynchronmotors gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines Motorsystems 11 gezeigt,
das einen Synchronmotor 12 und eine Ansteuereinheit 13 aufweist.
Der Synchronmotor 12 weist ein Gehäuse 14 auf, in dem Statorspulen 15 angeordnet
sind. Im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel sind drei Statorspulen 15 um
jeweils 120° zueinander
versetzt und um einen innen liegenden Rotor 16 angeordnet.
Der Rotor 16 weist zwei Permanentmagneten 17 auf,
die als Schalenmagnete an bezüglich
einer Rotorachse 18 gegenüberliegenden Seiten des im
Wesentlichen zylinderförmigen
Rotors 16 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 17 sind
mit ihren Polen zueinander gleichgerichtet, so dass ein Läufer-Magnetfeld
in Richtung einer d-Achse des Rotors 16 durch die Permanentmagneten 17 gebildet
wird, die einer Hauptflussrichtung entspricht. Die Anzahl der Statorspulen 15 ist
im Wesentlichen frei wählbar
und jede der Statorspulen 15 kann auch als Statorspulenpaar
auf bezüglich
der Rotorachse gegenüberliegenden
Seiten des Rotors 16 angeordnet sein.
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Die
Statorspulen 15 sind über
entsprechende Ansteuerleitungen 19 mit der Ansteuereinheit 13 verbunden,
so dass mit Hilfe eines jeweiligen Antriebsstromes die Statorspulen 15 angesteuert
werden können,
um ein resultierendes Antriebs-Magnetfeld
im Bereich des Rotors 16 zu bilden, das rechtwinklig zur
Hauptflussrichtung des durch die Permanentmagneten 17 bewirkten
Läufer-Magnetfelds
verläuft.
Um jeweils die momentane Hauptflussrichtung des Läufer-Magnetfeldes
zu bestimmen, muss die Rotorlage ermittelt werden, was durch einen
geeigneten Lagedetektor erfolgen kann. Alternativ kann bei einem
geberlosen Synchronmotor die Anisotropie einer in den Statorspulen
resultierenden Induktivität zum
Schätzen
der Rotorlage bestimmt werden.
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Der
Rotor 16 ist weiterhin mit einer oder mehreren (im gezeigten
Ausführungsbeispiel
zwei) Spulenwicklungen 20 versehen, die mit einem Verbraucher 25 verbunden
sind, der entweder innerhalb des Synchronmotors oder an einer sonstigen
Position an der Rotorachse 18 angeordnet sein kann und mit
den Spulenwicklungen 20 so in Verbindung steht, dass ein
darin induzierter Sekundärstrom
als Versorgungsstrom zum Betreiben des Verbrauchers 25 verwendet
werden kann.
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Anstelle
einer im Gehäuse 14 des
Synchronmotors 12 vorgesehenen Primärwicklung wird der Sekundärstrom zur
Versorgung des Verbrauchers 25 mit Hilfe der Statorspulen 15 induziert.
Die Statorspulen 15 werden durch die Ansteuereinheit 13 so
angesteuert, dass in Richtung der Wicklungsachse der Spulenwicklungen 20 ein
Wechsel-Magnetfeld bewirkt wird, um den Sekundärstrom in den Spulenwicklungen 20 zu
erzeugen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie
es in 1 gezeigt ist, verläuft die Wicklungsachse der
Spulenwicklungen 20 parallel zur d-Achse der Hauptflussrichtung
des durch die Permanentmagneten bewirkten Läufer-Magnetfeldes. In diesem
Fall ist es vorteilhaft, dass das Wechsel-Magnetfeld keine Komponente
in Richtung einer q-Achse des Rotors 16, die senkrecht
auf der d-Achse des Rotors 16 steht, aufweist, so dass
der Antrieb des Rotors 16 durch das Wechsel-Magnetfeld
nicht beeinträchtigt wird.
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Die
Ansteuereinheit 13 weist eine Treiberschaltung 21 auf,
die über
Ansteuerleitungen 19 wechselweise eine jeweilige Ansteuerspannung
an die Statorspulen 15 anlegt, so dass beispielsweise bei
gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Rotors 16 sinusförmige Stromverläufe von
Antriebsströmen durch
die Statorspulen 15 fließen, die im Wesentlichen um
jeweils 120° zueinander
versetzt verlaufen. Dadurch wird im Innern des Synchronmotors 12 ein resultierendes
Antriebs-Magnetfeld gebildet, das stets senkrecht zur Hauptflussrichtung
des durch die Permanentmagneten 17 bewirkten Läufer-Magnetfeldes
verläuft,
d.h., in Richtung der q-Achse.
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Die
Ansteuereinheit 13 weist weiterhin eine Einkopplungsschaltung 22 auf,
die einen jeweiligen Primärstrom
in den Statorspulen 15 hervorruft, die ein resultierendes
Wechsel-Magnetfeld
in Richtung der d-Achse, d.h., in Richtung der Wicklungsachse der
Spulenwicklungen 20 hervorrufen.
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Das
Wechsel-Magnetfeld induziert einen Sekundärstrom in den Spulenwicklungen 20,
mit dem ein Verbraucher 25 versorgt werden kann. Dadurch ist
es möglich,
auf eine Primärspulenanordnung
im Gehäuse 14 des
Synchronmotors 12 zu verzichten, um den Sekundärstrom als
Versorgungsstrom für den
Verbraucher 25 zu induzieren. Stattdessen werden die Statorspulen 15 dazu
genutzt, das Wechsel-Magnetfeld zusätzlich zu dem Antriebsmagnetfeld
aufzubauen. Die Einkopplungsschaltung 22 bewirkt die jeweiligen
Primärströme in den
Statorspulen 15 durch ein Überlagern von gepulsten Primärspannungen
auf die Ansteuerspannungen an den Ansteuerleitungen 19.
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Die
Spulenwicklung 20 kann bei einer Polbedeckung von weniger
als 100%, z.B. von 80%, durch die Schalenmagnete um die Scha lenmagnete
herum geführt
werden, so dass der Hauptfluss des durch die Permanentmagneten gebildeten
Läufer-Magnetfeldes
nicht beeinträchtigt
wird. Anstelle der zwei gezeigten Spulenwicklungen 20 kann
auch eine einzige Spulenwicklung in dem Rotor 16 vorgesehen
sein, die dann vorzugsweise symmetrisch zur Rotationsachse angeordnet
ist. Bei Verwendung von zwei oder mehreren Spulenwicklungen 20 ist
darauf zu achten, dass diese ebenfalls zur Rotationsachse symmetrisch
angeordnet sind, um einerseits keine Unwucht in dem Rotor 16 hervorzurufen
und andererseits eine gleichmäßige Induktion
des Sekundärstromes
zu erreichen.
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Um
höhere
Drehzahlen des Synchronmotors zu erreichen, kann ein Feldschwächungsbetrieb
vorgesehen sein, bei dem bezüglich
des Läufer-Magnetfeldes
entgegengesetzt ein Gleichmagnetfeld mit Hilfe der Statorspulen 15 angelegt
wird, um so die durch den Betrieb des Synchronmotors hervorgerufene Spannung
an den Statorspulen 15 zu reduzieren. Dazu wird neben den
Antriebsströmen
durch die Treiberschaltung 21 Feldschwächungsströme an die Statorspulen angelegt,
die ein dem Magnetfeld der Permanentmagneten 17 entgegengesetztes
Gleichmagnetfeld, d.h. ein Magnetfeld in Richtung der d-Achse aufbauen,
um den Hauptfluss in Hauptflussrichtung zu reduzieren. In diesem
Fall werden die Statorspulen 15 mit jeweiligen Gesamtströmen angesteuert, die
sich aus den Antriebsströmen,
den Feldschwächungsströmen und
den Primärströmen zur
Einkopplung des Sekundärstromes
in die Spulenwicklungen 20 zusammensetzen.
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In 2 ist
dargestellt, dass sich das oben beschriebene Prinzip der Einkopplung
eines Sekundärstromes
in eine auf dem Läufer
angeordneten Spulenwicklung auch bei Linearmotoren vorsehen lässt. In 2 ist
ein Linearmotorsystem 31 mit einem Linearsynchronmotor 32 und
einer Ansteuereinheit 33 vorgesehen. Der Linearsynchronmotor 32 weist
einen Stator 34 mit mehreren Statorvorsprüngen 50 auf,
die jeweils eine der Statorspulen 35 tragen. Benachbarte
Statorspulen 35 sind separat voneinander ansteuerbar, wobei
vorzugsweise jeweils drei zu einander benachbarte Statorspulen 35 separat
durch die Ansteuereinheit 33 ansteuerbar sind.
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Nahe
des Stators 34 ist ein Läufer angeordnet, der bezüglich des
Stators 34 in einer linearen Richtung entlang des Stators 34 beweglich
angeordnet ist. Der Läufer 36 weist
mindestens einen Läufervorsprung 51 auf,
auf dem ein Permanentmagnet 37 angeordnet ist, um ein Läufer-Magnetfeld
in einer Hauptflussrichtung zu bewirken. Die Hauptflussrichtung
ist in Richtung des Stators 34 gerichtet. An dem Läufervorsprung 51 bzw.
um den Läufervorsprung herum
ist eine Spulenwicklung 40 angeordnet, die mit einem auf
dem Läufer
angeordneten Verbraucher 45 elektrisch verbunden ist. Auf
diese Weise kann den Verbraucher 45 mit elektrischer Energie
versorgt werden.
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Die
Statorspulen 35 des Linearsynchronmotors 32 sind
mit der Ansteuereinheit 33 über jeweilige Ansteuerleitungen 39 verbunden.
Die Ansteuereinheit 33 weist eine Treiberschaltung 41 auf,
um die jeweiligen Antriebsströme
für die
Statorspulen 35 bereitzustellen. Die Antriebsströme werden
so an die Statorspulen 35 angelegt, dass ein zu der Hauptflussrichtung
des Permanentmagneten 37 versetztes Antriebs-Magnetfeld
im Bereich des Läufers
gebildet wird, zu dem sich das durch den Permanentmagneten bewirkte
Läufer-Magnetfeld
ausrichtet. Je nach gewünschtem
Antriebsmoment kann der Versatz des durch die Statorspulen 35 hervorgerufenen
Antriebs-Magnetfeld gewählt
werden.
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Um
bei dem Linearsynchronmotor 32 in die Spulenwicklung 40 auf
dem Läufer 36 ein
Sekundärstrom
zu induzieren, werden weiterhin an die Statorspulen 35 Primärströme angelegt,
die zu einem Wechsel-Magnetfeld in Richtung der Wicklungsachse der
Spulenwicklung 40 des Läufers 36 führen.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
entspricht die Wicklungsachse der Spulenwicklung 40 der Hauptflussrichtung
des Permanentmagneten 37, es ist jedoch in anderen Ausführungsformen möglich, die
Anordnung des Permanentmagneten 37 und die Anordnung der
Spulenwicklung 40 voneinander zu trennen und diese an verschiedenen
Positionen auf dem Läufer 36 anzuordnen.
Im wesentlichen sollte vorgesehen sein, dass das zusätzlich durch
die Primärströme angelegte
Wechsel-Magnetfeld den Antrieb des Läufers 36 möglichst
wenig beeinträchtigt, so
dass vorzugsweise die Spulenwicklung 40 und der Permanentmagnet 37 gemeinsam
an dem Läufervorsprung 51 angeordnet
werden.
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Die
Primärströme in den
Statorspulen 35 werden durch eine Einkopplungseinheit 42 in
der Ansteuereinheit 33 bewirkt, wobei die Primärströme zu den
Antriebsströmen,
die durch die Treiberschaltung 41 bereitgestellt werden, überlagert
werden, d.h., die Antriebsströme
und die Primärströme werden
für jede
der einzeln ansteuerbaren Statorspulen 35 miteinander addiert.