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Stand der Technik
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Die
Entwicklung berührungsfrei
auf magnetischer Basis arbeitender Wandler befindet sich noch in
den Anfängen.
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Grundsätzlich werden
hierzu dem Einsatz von Permanentmagneten als wechselwirkende Komponenten
die besten Voraussetzungen zugesprochen. Durch die Anwendung von
leistungsstarken Magneten gelingt es, das Prinzip der berührungslosen
Kraftübertragung
in elektrischen Maschinen so zu entwickeln, dass es der Wechselwirkung
zwischen stromführenden
Spulen im Magnetkreis deutlich überlegen
ist.
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Untersuchungen
zeigen grundsätzlich,
dass bei magnetischen Wandlern, also bei Verzicht auf die Heranziehung
stromfdurchflossener Wicklungen, sehr hohe Kraftdichten zwischen
den wechselwirkenden Maschinenteilen erzielbar sind.
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Aus
der Sicht des Anwenders von mechanischen Getrieben ist der Wunsch
nach Wartungsarmut, der in direkter Verbindung mit dem bestehenden Verschleißproblem
auftritt und die Lebensdauer- und Sicherheitsaspekte miteinschließt, ein
wichtiger Stimulator, um sich mit der berührungsfreien Kraftübertragung
zu befassen. Dabei wird erkennbar, dass bei fast allen Anwendungsfällen zusätzlich das
Effizienzmerkmal, d. h. die Beschränkung der Gerätemasse und
die Reduktion von Leistungsverlusten von großer Bedeutung ist. Nur wenn
es gelingt, durch den Einsatz des Getriebes und bei Einbezug der
am Getriebe teilhabenden Systemkomponenten günstigere oder mindestens gleichgünstige Systemdaten
zu erzielen, ergibt sich eine sinnvolle Anwendung. Für einen
systemfreundlichen Einsatz muss dann auch der Nachweis gelingen,
dass ein das mechanische Getriebe ersetzender magnetischer Wandler
für unterschiedliche Übersetzungen,
d. h. für
den Einsatz bei kleinen und größeren Unterschieden
der Drehgeschwindigkeit geeignet ist. Nach den bislang vorliegenden
Untersuchungen sind die geforderten hohen Kraftdichten der magnetischen
Wandler bei der Auslegung für
große Übersetzungsverhältnisse
deutlich besser darstellbar als für kleine Übersetzungen. Dies ist eine
Folge einer Entwurfsbeschränkung
bei den die Wechselwirkung verursachenden Komponenten, die beide
mit Permanentmagneten bestückt
sind. So ist offensichtlich die geforderte hohe Kraftdichte, insbesondere
auf die Fälle
beschränkt,
wo eine Wechselwirkungskomponente aus einer zweipoligen Magnetanordnung
besteht.
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Es
besteht somit nach gegenwärtigem
Stand eine nicht unbeträchtliche
Anwendungseinschränkung,
die nur durch weitere Schritte der Magnetkreisgestaltung behoben
werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
besteht somit darin, für
rotierende und lineare Anwendung ein verbessertes Wandlerkonzept
anzugeben, das auch dann mit hoher Kraftdichte arbeitet, wenn nicht
nur zweipolige, sondern auch mehrpolige Wechselwirkungspartner gegenüber einem
anderen vielpoligen Partner eingesetzt werden. Konkret bedeutet
dies, dass mit einem beliebig gestaltbaren Polpaarzahl-Verhältnis auch
beliebig gestaltbare Übersetzungsverhältnisse
der Drehgeschwindigkeiten erzielbar sind. Als Richtwert für die erzielbare
Kraftdichte soll davon ausgegangen werden, dass sie mindestens über dem
zwei- bis dreifachen Wert der Kraftdichte von mit Permanentmagneten
erregten elektrischen Synchronmaschinen liegt. Weiter soll angenommen
werden, dass ein Getriebeanschluss z. B. durch die Verbindung mit
einer Arbeitsmaschine gegeben ist, während die andere Getriebeseite
die Verbindung zu einer elektrischen Maschine oder mehreren gleichartigen
elektrischen Maschinen darstellt.
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Beschreibung
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Die
zur Effizienzsteigerung eines magnetischen Getriebes bestimmten
Maßnahmen
leiten sich aus den physikalischen Zusammenhängen zur Beschreibung der Wechselwirkung
zwischen den Getriebepartnern ab. Es ist dabei von einem Modell
auszugehen, bei dem zwei Getriebepartner sich mit nicht ganz übereinstimmender
Geschwindigkeit und Kontur bewegen und ihre Wechselwirkung über einen Luftspalt
hinweg austauschen. Weiter gilt die Annahme, dass ein Getriebepartner
mit einer annähernd kreisförmigen Kontur
mit mehr als zwei Magneten unterschiedlicher Polarität erregt
ein mehrpoliges Magnetfeld besitzt, während der andere Getriebepartner in
linearer Anordnung oder ebenfalls kreisförmig eine vielpolige Erregeranordnung
darstellt. Durch eine besondere Dimensionierung der Magnete des
vielpoligen Erregerteils kann zumindest für einen luftspaltnahen Konturenbereich
des zweiten Partners eine hohe Felddichte erzeugt werden. Es sind
jedoch darüber
hinaus besondere Maßnahmen
notwendig, um auch im luftspaltfernen Bereich des zweiten Partners die
für hohe
Kraftdichten notwendige hohe Felddichte sicherzustellen. Bei einer
Bewegung des ersten Partners gegenüber dem Drehpunkt des zweiten Partners
wird als Folge die Übertragung
eines Drehmoments erzielt. Es kann gezeigt werden, dass zwischen
den Drehmomenten und den Drehgeschwindigkeiten eine feste Beziehung
besteht, die durch das Polzahlverhältnis der wechselwirkenden
Partner bestimmt ist. Enthält
das Erregersystem, d. h. der erste Partner, die Polpaarzahl p und
das Reaktionssystem, d. h. der zweite Partner die Polpaarzahl pr, so verhalten sich die Drehmomente M des
ersten und Mr des zweiten Partners wie das
Verhältnis
p/pr. Umgekehrt ist das Verhältnis der
Winkelgeschwindigkeiten: Ω/Ωr = pr/p. Es ist
ersichtlich, dass eine variable Systemgestaltung mit einem großen Spielraum
der Polzahlverhältnisse
pr/p erwünscht
ist und dabei die Bedingung hoher Kraftdichte zu berücksichtigen
ist.
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Die
durch 1 dargestellte Magnetkreis-Konfiguration zeigt
mit ET das Erregersystem, in dem die vom leitfähigen Material Le und Pe umgebenen
Permanentmagnete M über
den Luftspalt δ1 ein magnetisches Wechselfeld erzeugen,
wobei die Polteilung, d. h. die Polausdehnung in Längsrichtung durch
die wechselnde Polarität
der eingesetzten Magnete M bestimmt ist. Auf der anderen Seite des Luftspalts δ1 soll
in den Elementen RE des Reaktionssystems RT vom magnetischen Feld
eine möglichst
große
Kraft erzeugt werden. Für
die in 1 gewählte
Polzahl 4 von RE, also für
die Polpaarzahl pr = 2, ergibt sich durch
den zylindrischen Aufbau, ohne besondere Maßnahmen, in der gezeichneten Stellung
für 3 von
4 Permanentmagneten jedoch nur eine sehr kleine Reaktionskraft,
da in ihrem Bereich die Erregerfelddichte gering ist. Eine sehr
wirksame Methode zur Verbesserung der magnetischen Leitfähigkeit
ist in 1 mit der Einführung
von zusätzlichen
Hilfspolen Vs und Vm dargestellt.
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Die
gewünschte
starke Zunahme der magnetischen Wechselwirkung wird als Folge der
Felddichtesteigerung am Ort der Magnetaußenflächen, am Zylinderumfang, erreicht.
Dies impliziert, dass mit Hilfe der leitfähigen Polelemente Vs und Vm
und deren Verbindungen zum Luftspalt und zum Teil über den
Luftspalt hinweg zum Erregerteil ET eine sehr starke Reduktion des
magnetischen Widerstands für den
Interaktionsbereich der Magnete von RE entsteht. Hierbei ist die
jeweilige Flussanknüpfungsstelle
die durch den Luftspalt δ2 getrennte Polberandung des bezüglich der
Kraftrichtung in Frage kommenden Pols des Erregersystems. Die Hilfspole
sind über
den Rahmen Gr und RT fest mit diesem System verbunden, gegenüber RE jedoch über einen
kleinen Luftspalt getrennt.
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Wie 2 zu
entnehmen ist, kann der Fluss des Hilfspols Vm über ein C-förmiges Anschlussteil vom unteren
Permanentmagnet von RE in der axialen Ebene geführt und von dort aus dem in
der Mittelstellung befindlichen Erregerpol über den Spalt δ3 zugeleitet
werden. Gegenüber
den beiden anderen Hilfspolen Vs werden hierdurch große Abstände eingehalten,
so dass der Streufluss zwischen den Polen klein bleibt. Alternativ
wäre es möglich, den
Fluss des Hilfspols Vm in zwei Zuleitungen innerhalb der Hauptflussebene
seitlich der Pole Vs zum jeweils anschließenden Südpol zu führen. Hierdurch müsste die
erforderliche Zahl von Erregerpolen um 1 erweitert werden. Statt
drei wären
nun vier Erregerpole dem Reaktionsteil RE zugeordnet. Bei gleicher übertragener
Gesamtkraft wäre
allerdings die Kraftdichte im Verhältnis 3:4 kleiner, als bei
der Konfiguration nach 2. Es soll erwähnt werden,
dass die mit 1 und 2 dargestellte
Parallelschaltung der in der Mitte liegenden Pole eine entsprechende
Berücksichtigung
bei der Dimensionierung der Erregermagnete M im Erregerteil erfahren
sollte.
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Allgemein
ist hierzu zu sagen, dass zur Erzeugung hoher Umfangskräfte hohe
Erregerfelddichten am Ort der Permanentmagnete von RE, d. h. in deren
Randstrombereich am Außenumfang
erforderlich sind und der Randstrom selbst ebenfalls hoch sein soll.
Wie in 1 gezeigt, ist für die 4 Interaktionsbereiche
mit den Felddichten B1 ÷ B4 auch
der Richtungssinn für
die Entstehung gleichgerichteter Umfangskräfte zu beachten. Die Größe des Randstromes
folgt aus dem Produkt von Magnetbreite hmr und
der Remanenzinduktion Br des Magnetmaterials zu Θm = hmr·Br/μp mit /μp, der Permeabilität des Magnetmaterials. Für die Position
in 1 folgt somit die Umfangskraft zu Fmax = Θm·l(B1 + B2 + B3 + B4).
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Mit
der Möglichkeit
der Leitfähigkeitssteigerung
durch die Hilfspole Vs und Vm lassen sich die im Randbereich der
Magnete auftretenden Felddichten B1 bis
B4 bei zweckgerichteter Bemessung des Erregerteils
ET in den Größenbereich
von 1,0 T bringen. Die Unterschiede der einzelnen B-Werte sind gering; alle
Pole tragen in ähnlicher
Größe zur Umfangskraft bei.
Die erwähnte
zweckgerichtete Bemessung des Erregerteils geht davon aus, dass
der magnetische Widerstand durch die Permanentmagnete M nicht zu groß sein darf
und andererseits eine ausreichend hohe magnetische Spannung, vermöge der Magnetrandströme Θ bereitgestellt
wird. Letzteres wird möglich,
wenn die Dicke der Magnete hm näherungsweise
2–3 mal
größer als
die Summe der zu überbrückenden
Luftspalte, also z. B. δ1 + δ2 ist. Der gewünschte kleine Innenwiderstand
der Magnete folgt aus der Bemessungsregel, dass die Magnetlänge lm etwa zwei- bis dreimal so groß gewählt wird,
wie die Länge
des an den Luftspalt grenzenden halben Pols. Im Falle parallel verlaufender
Flusspfade verdoppelt sich die zu berücktigende Pollänge.
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Während die
Position des Reaktionsteils in 1 zum Maximalwert
der Umfangskraft führt,
zeigt 3 die Position von RE für die Kraft Null. Für Re bedeutet
dies eine Verdrehung um 22,5° nach
links. Das gleiche Ergbnis, der Umfangskraft Null, vermittelt die
Rechtsdrehung mit dem gleichen Winkel. Die diesen Winkeldrehungen
entsprechenden Längsbewegungen
von ET sind jeweils gleich einer halben Polteilung Daraus kann abgeleitet
werden, dass die der Feldgrundwelle entsprechende Winkeldrehung für das vorliegende
Beispiel 45° beträgt.
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Nach
Durchlauf der Nullstellen vergrößert sich
die Umfangskraft erneut und erreicht nach weiteren Winkeländerungen
von 45° (magnetisch)
wieder Maximalwerte.
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Es
ist offensichtlich, dass der Mittelwert der Umfangskraft kleiner
ist als ihr Maximalwert. Nimmt man als Obergrenze an, dass der Kraftverlauf
einer positiven Sinus-Halbwelle entspricht, ist das Verhältnis von
Mittelwert zu Maximalwert ku = 2/π. Die pessimistische
Annahme eines Verlaufes entsprechend sin2α führt indessen
zu dem Wert ku = 0,5.
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In
Tafel 1 sind die zur Herleitung der Umfangskraft herangezogenen
Zusammenhänge
aufgeführt.
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Die
auf das Erregerteil bezogene Kraftdichte ermittelt sich aus der
Gleichung FA = r·π/pr·τr·ku·Fmax/z·τl.
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Der
Quotient r·π/pr·τr berücksichtigt
etwaige Geschwindigkeitsunterschiede der Wandlerteile, während z
die Zahl der dem Reaktionszylinder zugeordneten Erregerpole erfasst.
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Die
Kraftdichte FA ermöglicht
die Anwendungs-Zweckmäßigkeit
abzuschätzen.
FA ist bekanntlich der Indikator für die Kompaktheit der Bauweise
elektromagnetischer und magnetischer Wandler. Vorteilhaft erscheint
die Anwendung des magnetischen Wandlers dann, wenn seine Kompaktheit deutlich
höher ist,
als diejenige alternativ anzuwendender elektromagnetischer Wandler.
Geht man davon aus, dass letztere mit Kraftdichten von 40–60 kN/m2 gebaut werden können, wobei bereits der Einsatz
von Permanentmagneten zugrunde gelegt ist, so ist für den magnetischen
Wandler etwa ein Kraftdichtewert von 200 kN/m2 zu
fordern.
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Zur
Verwirklichung einer stetigen und schwankungsarmen Drehbewegung
ist erforderlich, Teilsysteme so zu kombinieren, dass die Kraftabsenkungen
vermieden werden. Es liegt nahe, zwei Systeme mit einer Grundwellen-Winkelverschiebung
von 90° auf
eine gemeinsame Welle für
die RE-Teile arbeiten zu lassen, so dass sich ihre Umfangskräfte zu einer
schwankungsarmen Gesamtkraft addieren.
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Erfolgt
eine Belastung der Welle durch ein retardierendes Drehmoment, so
tritt von der Leerlaufstellung ausgehend eine Winkelverschiebung
der RE Teile gegenüber
dem Erregerteil ET auf. Die Leerlaufposition entspricht dabei der
in 3 gezeichneten Stellung, während die Stellung maximaler
Belastung der Stellung von 1 entspricht.
Mit zunehmender Gegenkraft verschiebt sich die Position der stärksten kraftbildenden
Wirkung bis hin zur Stellung von 1. Zwischen übertragbarer
Kraft und Gegenkraft besteht ein stabiler Zusammenhang im Stile
einer elastischen Verbindung, solange der maximal übertragbare
Grenzwert nicht überschritten
wird.
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Belastungsmaschine
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Durch
die Übertragung
der Kraft vom Erregersystem zum Reaktionssystem entsteht eine dem Polzahlverhältnis p/pr entsprechende Erhöhung der Drehgeschwindigkeit.
Das Drehmoment erfährt
eine entsprechende Reduktion. Es liegt nahe, als Belastung oder
Antrieb an der Welle von RE elektrische Maschinen vorzusehen, die
in identischer Ausführung
parallel betrieben werden. Sie besitzen im Vergleich zum Erregerteil
einen kleineren Durchmesser und sind mit einem magnetischen Kreis
ausführbar, der
mit kleinem Luftspalt zu verhältnismäßig großer Kompaktheit
führt.
Um einen hohen Wirkungsgrad zu ermöglichen, empfiehlt sich der
Einsatz von Permanentmagneten. Bei verkleinerten Verlusten kann
so erreicht werden, dass die Gesamtmasse von magnetischem Getriebe
und den angeschlossenen elektrischen Maschinen geringer ist als
jene einer langsam drehenden elektrischen Maschine großen Durchmessers.
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Infolge
der erzielbaren hohen Kraftdichte der magnetischen Getriebe kann
auch deren äußere Abmessung
gegenüber
einem direkt wirkenden elektromagnetsichen Wandler kleiner ausgeführt werden. Durch
die beschriebene Magnetkreisgestaltung ist es mm möglich, auch
für höhere Polpaarzahlen
Reaktionselemente mit ebenso hohen Kraftdichten zu betreiben, wie
dies bei zweipolig ausgeführten
Einheiten möglich
erscheint. Die Einsatzbreite entsprechend gestalteter Wandlersysteme
dienen ebenso der Weiterentwicklung der Antriebstechnik wie der Verbesserung
langsam laufender Generatorantriebe, deren weitere Optimierung bisher
an Grenzen gestoßen
ist.
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Weitere Optimierung der Wandlerelemente
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Zur
Optimierung der maximal übertragbaren Kraft
steht zusätzlich
die Möglichkeit
der Leitwertsteigerung des magnetischen Kreises sowie die Maximierung
der Größe der Randströme Θm der Reaktionselemente zur Verfügung. 4 zeigt
in einer Ausschnittsdarstellung der Reaktionseinheit RE in der Position
der günstigsten Wechselwirkung
mit dem Erregerteil ET eine aufgefächerte Anordnung der Magnete
Mr. Hierbei ist angenommen, dass die leitfähigen Abschnitte Lr aus gestanzten
ebenen Blechen bestehen, die z. B. durch eine Schwalbenschwanzbefestigung
mit dem nichtmagnetischen Tragteil Tr verbunden sind und im Bereich
der Permanentmagnete eine Art Gitterstruktur aufweisen, die aus
radialen und longitudinalen Stegen G zwischen den Teilmagneten besteht.
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Das
leitfähige
Blechgitter ermöglicht
die Befestigung der Teilmagnete durch Einkleben und hat vorteilhafte
Eigenschaften zur Führung
des magnetischen Feldes. Es erleichtert dessen Eindringen in die nun
schmaleren stromführenden
Randzonen der Magnete und stellt in Umfangsrichtung und auch radial leitfähige Strecken
für das
Feld zur Verfügung.
Auf diese Weise ist es möglich,
bei niedrigem magnetischen Widerstand insgesamt eine größere Magnetmaterialbreite
etwa auf der Hälfte
einer Polteilung und damit eine größere Stromsumme Θm zur Wirkung zu bringen, als im Falle der
weniger strukturierten Magnetanordnung nach 1.
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Integration der elektrischen Maschine
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Im
Sinne einer möglichst
kompakten Systemlösung
gewinnt der Gedanke an Bedeutung, die elektrische Maschine mit in
die Rotoren der Reaktionseinheiten zu integrieren. Die Voraussetzungen
für eine
solche Variante ist in den Fällen
günstig,
wo mehrpolige Reaktionsrotoren zum Einsatz kommen, so dass deren
Durchmesser für
die Integration ausreichend Raum lässt. 5 zeigt
an einer achtpoligen Reaktionsanordnung und z = 10 Erregerpolen
je Reaktionseinheit die Möglichkeit
der Integration. An die Steile eines in 1 nur einseitig
genutzten Magnetrings von RE tritt nun ein zweiseitig genutzter Magnetträger, der
für den
Außenumfang
8 und für den
Innenumfang 24 Pole aufweist. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung
getragen, dass für
die Getriebewechselwirkung größere Luftspalte
und höhere magnetische
Widerstände
vorliegen, und dies mit einer größeren Erregerpolteilung
in ET kompatibel ist. Für
die elektrische Maschine liegt ein kleinerer Spalt mit kleinerem
magnetischen Widerstand vor, der kleinere Polteilungen und eine
reduzierte Radialabmessung des magnetischen Kreises ermöglicht.
Die für die
Kraftübertragung
zwischen den Getriebeelementen gewünschten hohen Leitfähigkeiten
werden ähnlich
wie bei 1 durch Hilfspole Vm, Vs sowie
durch Vt 1 und Vt 2 vermittelt und führen zu einer hohen Umfangskraft,
der auch eine hohe Kraftdichte entspricht. Dabei ist wiederum angenommen,
dass die Verbindung zwischen den unteren Hilfspolen Vt 2 zum Erregersystem
quer zur Flusshauptebene zur Stirnseite von ET und dort über einen
kleinen Luftspalt erfolgt. Der Verlauf des Erregerfeldes für die Position
der Maximalkraftbildung ist den gestrichelten Feldlinien zu entnehmen.
Als Folge der hohen magnetischen Leitfähigkeit zwischen den 8 Magneten
von RE, die durch die Elemente Lr gegeben ist, dringen die Feldlinien
nicht in den Innenbereich von RE ein.
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In
der gezeichneten Lage des Stators ST, mit seinen Spulen Sp, bildet
das 24-polige Erregerfeld in Wechselwirkung mit den Strömen der
Spulen ebenfalls die maximale Gegenkraft. Die Wicklung der Spulen
Sp ist als einsträngig
zu betrachten. Zur Unterdrückung
von Kraftschwankungen werden z. B. für das Reaktionsteil RE zwei
um 90° versetzte
Teile und entsprechend phasenverschobene Ströme, d. h. eine Doppelanordnung
von ST herangezogen.
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Es
soll darauf hingewiesen werden, dass der Einbau eines elektrischen
Wandlers im Inneren des Reaktionsteils dadurch an eine Grenze stößt, dass der
verfügbare
Raum zur Unterbringung des zusätzlichen
Magnetkreises mit einer stromführenden
Wicklung begrenzt ist. Zwar kann der Magnetkreis mit kleinem Luftspalt
und damit sehr kompakt ausgeführt werden,
jedoch bedarf die Auslegung der stromführenden Spulen der Rücksichtnahme
auf das Temperaturproblem und die Wärmeabfuhr. Entwurfsrechnungen
zeigen, dass immerhin ein größerer Anteil der
dem Reaktionsteil zugeschriebenen Leistung im Innenraum umgesetzt
werden kann. Der restliche Teil der Leistung ist, wie oben beschrieben, über die
direkt mit dem Reaktionsteil zu kuppelnde elektrische Maschine abzudecken.
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Die
Kombination aus magnetischem Getriebe mit integrierter elektrischer
Maschine und direkt gekoppelter, über die Welle angetriebener
Teilmaschine, ist eine Variante, die hohe Kompaktheit des Gesamtsystems
herbeiführen
lasst.