DE102010007035A1

DE102010007035A1 - Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung

Info

Publication number: DE102010007035A1
Application number: DE102010007035A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Claus
Original assignee: Clauss Ulrich Dr Ing 08297
Current assignee: Clauss Ulrich Dr Ing 08297
Priority date: 2010-02-07
Filing date: 2010-02-07
Publication date: 2011-08-11

Abstract

Für eine bürstenlose Gleichstrom-Maschine im Sinne der Hauptanmeldung soll deren Steuerung und betriebstechnische Optimierung vereinfacht und eine Wicklungskonstruktion mit optimalen Eigenschaften und einer rationellen Fertigungstechnologie für diesen Maschinentyp vorgeschlagen werden. Erfindungsgemäß werden Schieberegister zur Ansteuerung benutzt, die Betriebsparameter über automatische Optimierungsschritte verbessert, die Wicklung mittels spezieller Vorrichtungen und Verfahrensschritte hergestellt und eine Anpassung der elektrischen Parameter an die Drehzahl durchgeführt. Die Erfindung eignet sich für alle elektrischen Gleichstrom-Maschinen.

Description

Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte Gleichstrom-Maschinen nach dem in der OS DE 10 2008 036 704 beschriebenen Funktionsprinzip in der Anwendung als Motor oder als Generator.
Ziel ist die Vervollkommnung der elektronischen Ansteuerung und der Konstruktion derartiger Maschinen, um die Kosten für deren Herstellung und Betrieb zu reduzieren.
Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich als Zusatzanmeldung auf die Hauptanmeldung DE 10 2008 036 704 und den dort angegebenen und fortgeschriebenen Stand der Technik.
So genannte bürstenlose Gleichstrom-Maschinen (BLDC – Brushless DC) nach dem allgemein gebräuchlichen Fachverständnis sind nach ihrem magnetisch-mechanischen Wirkprinzip bekanntlich Synchron-Maschinen, haben also zu herkömmlichen Gleichstrom-Maschinen große Unterschiede im Aufbau und funktionellen Verhalten. Um das in der Hauptanmeldung behandelte Funktionsprinzip von diesen BLDC-Maschinen begrifflich besser abzugrenzen, sei es nachfolgend als „echte bürstenlose Gleichstrom-Maschine” mit TBLDC (True Brushless DC) bezeichnet, weil es die bürstenbehaftete Gleichstrom-(DC)-Maschine in solcher Weise nachbildet, dass nur die Kommutierung selbst mit elektronischen Mitteln ersetzt, bzw. verbessert wird. Dies widerspiegelt sich auch in vergleichbaren Zusammenhängen zwischen Drehzahl, Drehmoment, Strom und Spannung bei solchen Maschinen.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden folgende Ausführungsdetails als nachteilig bei der technischen Realisierung im allgemeinen oder speziellen Anwendungsfall und somit als verbesserungswürdig betrachtet:
Die elektrische Steuerung von TBLDC-Maschinen erfolgt gemäß Hauptanmeldung vorzugsweise durch Mikrocontroller, deren Port-Ausgänge mit den zahlreichen parallelen Steuereingängen der Leistungsendstufe verbunden sind. Die Anzahl der erforderlichen Einzelleitungen errechnet sich dabei aus der doppelten Anzahl der Phasenwicklungen, was im Allgemeinen also eine Zahl weit über 16 ergibt. Ein Problem der technischen Umsetzung ist der Umstand, dass die Ausgänge einer Anzahl unterschiedlicher Mikrocontroller-Ports zu je 8, seltener 16 Kanälen diesen Einzelleitungen zugeordnet werden müssen. In einem bestimmten Zeitpunkt kann aber bei allen gängigen Mikrocontrollern immer nur jeweils ein einzelner Port den Schaltzustand aller ihm zugehörigen Einzel-Bitleitungen synchron verändern. Wechselt nun das anzusteuernde Segment von der Steuerleitung eines Ports zur Steuerleitung eines anderen Ports, so geht dies nur nacheinander, also nicht gleichzeitig, wie es vom Funktionsprinzip her eigentlich vorgesehen ist. Hierdurch ist ein kontinuierliches Weiterschalten der Phasen nicht bei jedem Übergang gewährleistet, ohne zumindest kurzzeitig den Stromfluss zu unterbrechen. Auch wenn diese Unterbrechungen in der Praxis nur einige Mikrosekunden dauern, verschlechtert dies den Wirkungsgrad und verursacht größere elektromagnetische Störpegel und Geräusche. Weiterhin steht die Baugröße des erforderlichen Mikrocontrollers, die sich aus der hohen Anschlusszahl einer TBLDC-Maschine ergibt, im Missverhältnis zum relativ kleinen Software-Umfang, der für die Maschinensteuerung erforderlich ist. Sollen hingegen weitere Gerätefunktionen in diesen Mikrocontroller integriert werden, behindert die große Anzahl paralleler Einzelverbindungen zur Leistungsendstufe das Definieren einer sinnvollen elektrisch-konstruktiven Schnittstelle zwischen beiden.
Für die Feinkorrektur des Kommutierungswinkels von TBLDC-Maschinen ist aus der Hauptanmeldung die Methode der Brückenspannungs-Minimierung bekannt und insbesondere für Maschinen größerer Leistung und dynamischen Betrieb mit häufigen Lastwechseln das Mittel der Wahl, weil sehr präzise. Bei kleinen Maschinen tritt aber der nicht unerhebliche Kosten- und Volumenanteil für die Signal-Multiplexer stärker in den Vordergrund. Gerade hier ist die Last oftmals proportional zur Drehzahl, bzw. über längere Betriebsphasen unveränderlich. Dieser Umstand soll für eine vereinfachte Methode zur Korrektur nutzbar werden, die mit weniger Schaltungsaufwand auskommt als bisher bekannt. Diese Methode soll darüber hinaus auch dazu geeignet sein, weitere Steuerungsmerkmale, wie die Kurzschlussdauer von Einzelphasen während der Polwechsel, zu optimieren.
Grundlegendes Merkmal einer TBLDC-Maschine gemäß Hauptanmeldung ist die fortlaufende, in sich geschlossene Struktur der Wicklung mit Leiterstäben, die gleichzeitig senkrecht zum Erreger-Magnetfeld und senkrecht zur Bewegungsrichtung der angrenzenden Rotor-Fläche verlaufen.
Jede Abweichung von dieser Regel, z. B. ein schräger Verlauf der Leiterstäbe, führt zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads. Weiterhin sind kürzeste Leiterwege im Wicklungskopf für die Erzielung eines minimalen Wicklungswiderstands und kleinsten Materialbedarfs anzustreben. Von den DC-Maschinen sind solche Wicklungen prinzipiell bekannt. Werden solche Wicklungen nicht in Stegen verlegt, sondern als Luftspulen ausgeführt, so erreicht man zahlreiche Vorteile, wie Wegfall der Reluktanzmomente, geringere Eisenverluste und höhere zulässige Drehmomente im gegebenen Magnetsystem.
Bei DC-Maschinen ist die Ankerwicklung mit dem Rotor verbunden und deshalb großen Beschleunigungs- und Fliehkräften unterworfen. So haben sich als Luftspulen ausgeführte Ankerwicklungen bisher im wesentlichen nur bei Kleinmotoren verbreitet.
In TBLDC-Maschinen ist die Wicklung aber im Stator, weshalb solche Kräfte nicht auftreten. Luftspulen stellen somit die optimale Wicklungsform für TBLDC-Maschinen dar. Eine solche Wicklung muss aber auch kosteneffizient herstellbar sein.
Bekannt stellvertretend aus OS DE 2 821 485 , OS DE 10 114 129 oder PS DE 4 021 256 sind Herstellungsverfahren für becherförmige Schrägwicklungen, bei denen die Bildung von verdickten Wicklungsköpfen mittels diagonaler oder rautenförmiger Anordnung der Statorstäbe vermieden wird. Für TBLDC-Maschinen – ebenso wie auch für DC-Maschinen – widerspricht eine solche Anordnung aber den Forderungen aus dem Wirkprinzip nach senkrecht verlaufenden Stäben und vergrößert das spezifische Wicklungsvolumen zu Ungunsten der magnetischen Feldstärke im Luftspalt, also des Wirkungsgrads.
Auch für BLDC-Maschinen sind neben traditionellen Stegwicklungen freitragende Luftspulenkonstruktionen und spezielle Fertigungstechnologien für solche Wicklungen bekannt, auch wenn diese, sofern sie gleichmäßig den Umfang des Luftspalts füllen, hier grundsätzlich ineffizient sind. Darauf wurde bereits in der Hauptanmeldung hingewiesen.
Im Allgemeinen werden Phasenwicklungen einzeln gewickelt und in den magnetischen Rückschluss eingesetzt. Solche Arbeiten erfordern einen gewissen Aufwand. Eine TBLDC-Maschine benötigt aber eine höhere Anzahl von Phasen als eine herkömmliche BLDC-Maschine und eine fortlaufende Wicklung, wodurch der Montageaufwand viel höher, gegebenenfalls also unwirtschaftlich wäre.
BLDC-Maschinen mit Statornuten lassen sich auch direkt bewickeln. Die Methode des direkten Bewickelns des Maschinenankers ist für fortlaufende Wicklungen nicht ohne weiteres praktizierbar, weil hierbei zu viele Leitungskreuzungen entstehen müssten, die das Volumen der Wicklungsköpfe aufblähen und die Wicklung ineffizient werden lassen. Für Innenläufer müsste die Wicklung außerdem auf die Innenfläche des magnetischen Rückschlusses, also auf eine konkave Körperfläche, aufgebracht werden, was für das Bewickeln von vielen kleinen Stegen oder gar für Luftspulen sehr problematisch ist. Keinesfalls wäre eine kompakte Wicklung ohne verbleibende Lücken erzielbar.
In der PS US 027933 wird ein Verfahren zum Herstellen von Wicklungen für Luftspaltmotoren angegeben, bei dem die Wicklung aus vorgefertigten Einzelspulen unmittelbar in einem Hohlzylinder hergestellt und verklebt wird. Um das Problem der zwangsläufig dickeren Wicklungsköpfe zu lösen, werden diese an einer Seite des Zylinders nach innen und an der anderen Seite nach außen geformt, so dass stufenweise ansteigende Innen- und Außendurchmesser die Montage der Wicklung in den Rückschluss und anschließend die Montage des Rotors in die Wicklung von ein und derselben Seite aus ermöglichen sollen. Der nicht unerhebliche Aufwand für die Vorfertigung und anschließende Montage der Einzelspulen, wie von herkömmlichen Fertigungsverfahren bekannt, bleibt dabei dennoch bestehen.
Nach den PS US 5 197 180 und US 5 294 855 wird die gesamte 3-phasige Wicklung eines BLDC-Motors mit allen Einzelspulen in einem einzigen Arbeitsschritt auf einen prismatischen Dorn gewickelt, anschließend von diesem Dorn abgezogen, auf einen flachen Kern aufgeschoben, abgeplattet und um einen Zylinder gerollt, wodurch letztendlich eine zylindrische Wicklung entstehen soll. Diese Wicklung soll dann in den Hohlzylinder des magnetischen Rückschlusses eingesetzt und nach außen aufgeweitet werden. Die beschriebene Arbeitsweise wirft aber einige Probleme auf: So erfordert der Übergang von einer so genannten Wicklungsgruppe zur jeweils nächsten Wicklungsgruppe einen Wechsel des Wickelsinns, was den kontinuierlichen Arbeitsablauf mehrmals unterbricht, besondere Anforderungen an die Vorrichtung stellt und feste Umkehrpunkte am Wickeldorn erfordert, was wiederum das Abziehen vom Dorn erschwert. Weiterhin wird für das Entfernen des Wickels vom Dorn und das anschließende Einschieben des flachen Einsatzes keine Arbeitsweise offengelegt, bei der die Form des Wickels zwischenzeitlich gesichert wird. Beim Abplatten entstehen im Bereich der oberen und unteren Rauten des Wickels Verdickungen der künftigen Wicklungsköpfe. Hierzu ist nicht offengelegt, wie beim Rollen und Montieren in den festen Innendurchmesser des Ständers damit umgegangen werden soll. Bezogen auf die Forderung nach kürzest möglichen Drahtlängen in den Wicklungsköpfen kann die gewählte symmetrische Hexagonalform des Dornquerschnitts nicht korrekt sein. Wird die gerollte Wicklung im Rückschluss aufgeweitet, so ist das zwangsläufig mit einer schwer kontrollierbaren Maßveränderung im Stoßbereich zwischen Anfang und Ende des aufgerollten Wickels verbunden, was beim Betrieb der Maschine zu einem unruhigen Lauf führen kann. Der eingelegte Kern muss in der Wicklung verbleiben, wodurch der Luftspalt der Maschine unnötigerweise breiter wird, was zu einer Minderung der magnetischen Feldstärke und Senkung des Wirkungsgrads führt. Die offengelegte Technologie geht grundsätzlich von einer einlagigen Wicklung aus, was den Projektierungsspielraum sehr einschränkt.
Für die Bedingungen einer TBLDC-Maschine müsste sichergestellt werden, dass nach dem Abplatten die beiden zusammengeführten Spulenschenkel nicht übereinander liegen, sondern ineinander verschränkt sind, um eine kontinuierlich fortschreitende Wicklung zu erhalten. Auch diese Aufgabe kann mit den offenbarten Verfahrensschritten nicht gelöst werden.
Notwendig ist eine Konstruktion der Wicklung, sowie eine automatisierbare Technologie der Wicklungsherstellung, die an die spezielle Konstruktion von TBLDC-Maschinen mit fortlaufender Wicklung und deren gleichmäßiger Verteilung entlang des Luftspalt-Umfangs angepasst ist und deren aufgezeigte Besonderheiten berücksichtigt. Anstelle einer notwendigen Montage einzelner Spulen, wie von DC-Maschinen bekannt, soll dabei ein kompletter Wickelkörper in einem Durchgang vorgefertigt und anschließend in einem Umformprozess die endgültige Wicklungsform erreicht werden. Die grundlegende Lösung soll für zylindrische Wicklungen ebenso geeignet sein, wie für scheibenförmige, konische oder sphärische.
Weiter ist auch die Gestaltung und Fertigung der Blechpakete zu überdenken, um die bisher übliche Montage der Wicklung in den magnetischen Rückschluss zu vereinfachen.
TBLDC-Maschinen sind wegen ihres Funktions- und Konstruktionsprinzips für die Verwendung in Direktantrieben besonders geeignet. Problematisch sind aber solche Fälle, in denen sowohl kleinere Drehmomente bei höheren Drehzahlen wie auch höhere Drehmomente bei kleineren Drehzahlen gefahren werden sollen und dabei eine hohe Drehzahlflexibilität abverlangt wird. Eine Maschine kann nur in vorbestimmten Bereichen mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten. Auch kann eine TBLDC- wie eine DC-Maschine ihre maximale Leistung grundsätzlich bei der höchstmöglichen Drehzahl erreichen. Zur Anpassung an unterschiedliche Drehmoment-Drehzahl-Bereiche werden im Allgemeinen Schaltgetriebe eingesetzt. Eine Lösung, für TBLDC-Maschinen ein solches Schaltgetriebe mit elektrischen Mitteln nachzubilden, könnte deren Einsatzbereiche in Direktantrieben deutlich erweitern.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine „echte” bürstenlose Gleichstrom-Maschine im Sinne der Hauptanmeldung so zu verbessern, dass

1) eine vereinfachte Steuerungsstruktur mit einfacher Steuerungsschnittstelle erreicht wird,
2) ein geringerer Aufwand zur Feinkorrektur des Kommutierungswinkels und weiterer Steuerungsmerkmale für kontinuierliche Lastbedingungen erforderlich ist,
3) eine Wicklungskonstruktion entworfen wird, die optimale Eigenschaften für diesen Maschinentyp aufweist, wofür außerdem eine rationelle und automatisierbare Fertigungstechnologie anzugeben ist, und
4) der Einsatz in Verbindung mit Direktantrieben erleichtert wird.

Problemlösung, Beschreibung der Erfindung
Die Problemstellung wird mit der in den Hauptansprüchen 1, 6, 11 bis 13, 37 und 38 gekennzeichneten Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Zur Erläuterung der grundlegenden Lösungen zeigen
1 die schematische Darstellung einer typischen TBLDC-Wicklung mit Kommutierungsdiagramm entsprechend Hauptanmeldung,
2 die Transformation diametral entgegengesetzter Anschlusspunkte einer TBLDC-Maschine in ein erfindungsgemäß steuerbares Schema,
3 das allgemein gültige Taktdiagramm zu 2,
4 die grafische Darstellung der Minimumfindung durch Dreipunkt-Vergleich in erfindungsgemäßer Weise,
5 zwei mögliche Verbindungsstrukturen für die Wicklung,
6 die schematisierte Darstellung erfindungsgemäß verdrillter Wicklungsköpfe,
7 das Herstellungsprinzip einer erfindungsgemäßen Wicklung in den Verfahrensschritten a ... g.
1)
Aus der Hauptanmeldung ergibt sich die Notwendigkeit einer fortschreitenden umlaufenden Kommutierung, wie sie in 1 für ein Beispiel mit 9 Phasenwicklungen dargestellt ist. Nahe liegend ist die Verwendung von Schieberegistern, wie sie aus der Digitaltechnik bekannt sind. Wie aus den Phasen a..r im Taktdiagramm ersichtlich, können einander gegenüber liegende Anschlüsse aber nicht einfach gemeinsam und synchron angesteuert werden.
Eine wesentliche Vereinfachung der Kommutierung wird erzielt, wenn die Knotenpunkte am negativen Anschluss fiktiv um 180° in der Maschinenachse verdreht werden, so dass sie sich zwischen den Knotenpunkten am positiven Anschluss abbilden. 2 zeigt hierfür einen Ausschnitt der Wicklungs-Anschlusspunkte für (2i + 1) Phasen. Diese fiktiven Anschlusspunkte sind mit einem negativen Vorzeichen gekennzeichnet. Verschachtelt man nun diese Punkte in der sich ergebenden Reihenfolge in das Taktdiagramm, so ergibt sich eine regelmäßige Impulsfolge, wie in 3 dargestellt. Die sich so in zeitlicher Abfolge ergebende Sequenz lautet dann:
..., + (2i), –(i), +(2i + 1), –(i + 1), +(1), –(i + 2), +(2), –(i + 3), +(3), ... .
Hierbei beschreibt das negative Vorzeichen jeweils das Einschalten des negativen Betriebsspannungs-Anschlusses, während das positive Vorzeichen den positiven Betriebsspannungs-Anschluss einschaltet. Als Anzahl verschiedener Einzelphasen für einen Durchlauf wird dabei weiterhin die Zahl 2*(2i + 1) errechnet.
Somit erhält man jetzt eine einfache lineare Abfolge der logischen Steuerzustände, die von Schieberegister-Schaltungen, wie sie als Standard-Logikschaltkreise zu niedrigen Kosten erhältlich sind, erzeugt werden können. Um eine synchrone serielle Kommutierung ohne jeden Fehler bei den Phasenübergängen zu erreichen und somit eine zeitgleiche Umschaltung für alle Wicklungsteile zu bewirken, werden alle Ausgangsleitungen des Schieberegisters über parallel angeordnete Latch-Register gepuffert. Derartige Schieberegister mit Ausgangs-Latches sind ebenfalls als Standard-Logikschaltkreise erhältlich. Selbstverständlich können die Schieberegister auch Teil einer integrierten oder programmierbaren Logik sein, in die weiterhin auch die übrigen Funktionen der Maschinensteuerung integriert sind.
Auf diese Weise vereinfacht sich die Ansteuerschaltung wesentlich. Der ansteuernde Mikrocontroller muss jetzt nur noch wenige Steuerleitungen des Schieberegisters bedienen.
Wird das Schieberegister direkt in die Kommutator-Baugruppe integriert, so sind zwischen dieser und einer Steuerungs-Baugruppe nur noch wenige Verbindungsleitungen erforderlich.
2)
Der Wirkungsgrad einer TBLDC-Maschine hängt maßgeblich davon ab, wie korrekt deren Kommutierungsphase eingestellt ist. In vielen Einsatzfällen kann annähernd von einer zeitlichen Konstanz der mechanischen Eingangsleistung bei Generatoren, bzw. der mechanischen Ausgangsleistung bei Motoren, ausgegangen werden. Anderenfalls gibt es zumindest über die Gleichung P_mech = 2πn·M oft einen kontinuierlichen Zusammenhang zwischen der Drehzahl n und der mechanischen Leistung P_mech, auch wenn die Abhängigkeit des Drehmoments M von der Drehzahl nicht immer bekannt ist. Ist also bei einer bestimmten Drehzahl auch die mechanische Leistung in bestimmten zeitlichen Grenzen konstant, so kann bei Kenntnis der elektrischen Leistung eine tendenzielle Aussage zum Wirkungsgrad erfolgen. Darüber, wie lange die mechanische Leistung etwa unverändert bleibt, gibt die elektrische Leistung indirekt Auskunft. Bei einer Feinkorrektur des Kommutierungswinkels in die eine oder andere Richtung während annähernd konstanter Leistung ist damit ein Vergleich möglich, ob sich der Wirkungsgrad verbessert oder verschlechtert, indem bei Motoren auf das Minimum der Leistungsaufnahme und bei Generatoren auf das Maximum der Leistungsabgabe geprüft wird. Die dafür erforderlichen Messwerte Drehzahl, Klemmenspannung und Klemmenstrom sind in der ansteuernden Elektronik ohnehin bereits bekannt – vergl. Hauptanmeldung – oder lassen sich mit einfachen Maßnahmen zusätzlich gewinnen.
Es kann vorausgesetzt werden, dass in den Grenzen der Phasenwinkel-Feinkorrektur nur ein einziges Optimum existiert. 4 illustriert das Prinzip der Optimum-Suche bei minimaler elektrischer Eingangsleistung P_{el min} für Motoren. Zunächst sei bei Inbetriebnahme der Phasenwinkel ϕ₀ vorgegeben – z. B. aus Erfahrungswerten bei Normallast. Auch seien dessen Grenzen ϕ_min und ϕ_max für den gesamten Betriebsbereich bekannt. Die Feinkorrektur kann sich also nur in diesen Grenzen abspielen.
Nachdem sich über den Drehzahl-Regelkreis durch Nachregeln der Motorspannung oder über die mechanische Last bei fester Betriebsspannung die Drehzahl und damit die abgegebene mechanische Leistung stabilisiert haben, wird die elektrische Leistung nach P_el = U_Kl·I_Kl aus gemessener Klemmenspannung U_Kl und gemessenem Klemmenstrom I_Kl berechnet und zwischengespeichert. Deren messtechnische Erfassung ist in bekannten Mikrocontroller-Systemen mit sehr geringem Aufwand realisierbar. Anschließend wird die Phase um einen Zähler nach unten oder oben verstellt und nach Abwarten einer Anpassungszeit der neuen Betriebsparameter erneut die elektrische Leistung bestimmt. Ist diese kleiner als vorher, so wird der Prozess in gleicher Richtung so lange wiederholt, bis keine weitere Verbesserung mehr eintritt. Damit ist die Optimierung des Phasenwinkels zunächst beendet. Wird beim ersten Test keine Verbesserung registriert, so erfolgt die Suche in gleicher Weise bei entgegengesetzter Variation des Phasenwinkels. Ist auch hier keine Verbesserung erzielbar, so ist der ursprüngliche Phasenwinkel bereits optimal und soll nicht verändert werden.
Im Beispiel 4 wird der Phasenwinkel zunächst verkleinert (a), wonach eine Zunahme der elektrischen Leistung verzeichnet wird. Hiernach wird in umgekehrter Richtung gesucht. Bei b verringert sich die Leistung, um bei c wieder anzusteigen. Der Phasenwinkel wird letztendlich also auf den vorletzten Wert reduziert (d), weil dieser die kleinste Leistungsaufnahme ermöglicht.
Auch für Generatoren kann diese Methode gleichermaßen eingesetzt werden. Nur gilt es hierbei, die abgegebene elektrische Leistung zu maximieren. Die übrige Prozedur stimmt sinngemäß überein.
Um eine größere Zuverlässigkeit der Messwerte zu erhalten können diese mehrfach hintereinander innerhalb eines festliegenden Phasenwinkels wiederholt, deren Streuung statistisch ermittelt und ein integrativer Mittelwert bestimmt werden. Ebenso kann noch mehrfach die Richtigkeit der Einstellung kontrolliert werden, indem die Messungen in der direkten Nachbarschaft des gefundenen Optimums wiederholt werden. Selbst wenn einmal zufällig eine mechanische Leistungsänderung zeitlich genau mit der Änderung des Phasenwinkels einhergeht, oder wenn die Leistung während des Betriebs ständigen Schwankungen unterliegt, kann durch mehrfache Wiederholung und Mittelwertbildung der gemessenen Differenzen in Folge der Veränderung des Phasenwinkels eine sichere Aussage über das Optimum getroffen werden. Die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Informationsgewinnung liegt dabei daran, dass der zeitliche Bezug der Lastwechsel zu den Zeitpunkten der Variation und Messung zufällig ist.
Auch die optimale Dauer des Kurzschlusses von Einzelphasen während der Polwechsel kann von der Betriebssituation abhängen. Auch hier soll der gleiche Algorithmus zur Optimierung angewendet werden, wie zuvor für den Kommutierungswinkel beschrieben. Auch hier wird durch Variation in sinnvollen Grenzen, die in der Praxis bis auf nur zwei Schritte reduziert sein können, nach dem bestmöglichen Wirkungsgrad gesucht. Die Optimierung des Kommutierungswinkels und die Optimierung der Kurzschlussdauer müssen selbstverständlich zu verschiedenen Zeiten erfolgen, um die Ergebnisse eindeutig voneinander trennen zu können.
Der Optimierungsvorgang sollte immer dann wiederholt werden, wenn signifikante Änderungen wesentlicher Betriebsdaten registriert wurden, also z. B. nach Änderung der Klemmenspannung oder des Klemmenstroms oder nach Änderung der elektrischen Leistung als numerisches Produkt aus beiden. Außerdem kann ein Timer für eine regelmäßige Überprüfung des Optimums in technisch sinnvollen zeitlichen Grenzen sorgen.
Je nach Anwendungsfall kann eine Zuordnung der gefundenen optimalen Phasenwinkel und der Kurzschlussdauer zu Drehzahl, Betriebsspannung oder Betriebsstrom automatisch abgespeichert werden und dann jeweils als Voreinstellung während des Startvorgangs dienen.
Ist von einer stationären Last in allen Betriebsfällen der Maschine auszugehen, so kann die beschriebene Prozedur grundsätzlich nur einmalig nach der Herstellung der Maschine, eventuell auch wiederholt nach Reparaturen, ausgeführt und die Ergebnisse dauerhaft gespeichert werden. Dadurch werden Fertigungstoleranzen mit einem einmaligen Kalibrierprozess dauerhaft kompensiert.
3)
Die Konstruktion der Wicklung kann nur im Zusammenhang mit technisch realisierbaren Herstellungstechnologien betrachtet werden, so dass ein Konstruktionsprinzip und die dazu geeignete Technologie gemeinsam und gleichzeitig entworfen werden müssen.
Wird nachfolgend von Stäben gesprochen, so werden in diesen Begriff vorzugsweise Bündel aus elektrisch zweckmäßig verbundenen Einzeldrähten impliziert, um die notwendige Anpassung an die Betriebsspannung zu realisieren. Die grundlegende Lösung wird zunächst für eine zylindrische Maschinenwicklung entworfen. Anschließend werden Varianten für andere Bauformen angegeben.
An eine optimale Wicklung für TBLDC-Maschinen müssen folgende Forderungen gestellt werden:

– Zueinander paralleler, zur Bewegungsrichtung und zum Magnetfeld rechtwinkliger Verlauf der Stäbe
– Kürzest mögliche, gleich lange Verbindungswege zwischen den Stäben
– Fortlaufende Periodizität der Anordnung von Stäben und Phasenwicklungen

Als Wicklungskonstruktion, die allen genannten Forderungen am besten entspricht, wurde die erfindungsgemäße Anordnung nach 7f gefunden, bei der die Verbindungen zwischen den Stäben in den Wicklungsköpfen seilartig verdrillt sind. Genau dieser Verlauf in den Wicklungsköpfen mit ihrer Schrauben- oder Helix-Form ermöglicht das periodische Erreichen der Stabpositionen bei für alle Verbindungen gleichzeitig kürzesten Wegen. Allerdings benötigt eine solche Wicklung die nachfolgend beschriebene Herstellungstechnologie, weil die Herstellung mit herkömmlichen Methoden nicht möglich ist.
Um einen fortlaufenden Wickel herstellen zu können, werden die Stäbe einer Phasenwicklung, die zu zwei benachbarten Magnetpolen gehören, paarweise zu annähernd rechteck- oder trapezförmigen Einzelspulen mit der erforderlichen Windungszahl zusammengefasst. Wie der fortlaufende Wickel, der alle Einzelspulen gemeinsam enthält, beschaffen ist und hergestellt werden soll, wird später erläutert. Zum Zwecke der besseren Anschaulichkeit seien die Spulen zunächst einzeln betrachtet.
Zwei gegenüber liegende Spulenseiten bilden zwei Wicklungsstäbe mit gegenläufigen Stromrichtungen, die in der Maschine um eine Polweite voneinander entfernt sind, während die beiden dazwischen liegenden Spulenseiten die Verbindungen im Wicklungskopf bilden. Jede Phasenwicklung besitzt also genau halb so viele Einzelspulen, wie die Maschine Magnetpole besitzt. Der Abstand der Spulen beträgt genau zwei Polweiten. Nun könnten alle ersten Spulen aufeinander folgender Phasenwicklungen mit ihrem aufsteigend durchflossenen Stab – hier bedingt als innerer Stab bezeichnet – nebeneinander angeordnet sein und damit genau eine Polweite ausfüllen. Die nächste Polweite könnte jetzt nacheinander mit dem abfallend durchflossenen Stab – hier bedingt als äußerer Stab bezeichnet – der gleichen Spulen gefüllt werden. Im Bereich zweier Polweiten wären somit alle ersten Spulen platziert. Alle zweiten Spulen könnten danach in analoger Weise für die dritte Polweite folgen und so weiter. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, dass die Wicklungsköpfe im Bereich der Spulen zwischen inneren und äußeren Stäben anschwellen, während im Bereich zwischen den Spulen nur einzelne Verbindungsdrähte gebraucht werden.
Eine sehr ungleichmäßige Ausnutzung des Bauraums wäre die Folge, wie 5a für ein vereinfachtes Beispiel mit 5 Phasenwicklungen in einer 4-poligen Maschine demonstriert. Um statt dessen eine gleichmäßige Verteilung der Wicklungsköpfe zu erreichen, wird die beschriebene Anordnung der Wicklung so variiert, dass zunächst nur jede zweite Spule mit ihrem inneren Stab bestückt wird. Die entstehenden Lücken werden mit dem äußeren Stab der Spulen des vorherigen Pols gefüllt so wie in 5b gezeigt. Wie man leicht erkennt, wird auf diese Weise ein gleichmäßig verteilter Wicklungskopf gebildet. Zu beachten ist die umgekehrte Polarität jeder Spule „auf Lücke” gegenüber den anderen, um die richtigen Stromrichtungen in den Stäben und den fortlaufenden Charakter der Wicklung zu gewährleisten.
Aus 5 ist auch zu entnehmen, dass es in der Ebene zu zahlreichen Kreuzungen der Spulen kommt. Kreuzungen von einzelnen Drähten oder ganzen Spulenschenkeln führen unvermeidlich zu Hohlräumen, die eine kompakte Wicklungskonstruktion verhindern und in der Folge höhere Wicklungswiderstände bedingen. Auf der Suche nach einer optimalen Wicklungskonstruktion ist eine Periodizität der Leiterschleifen in den Wicklungsköpfen zu erkennen: Jeder zweite Stab benötigt eine Verbindung um genau eine Polweite in einheitlicher Richtung. Diese Verbindungen sollen erfindungsgemäß seilartig ineinander verdrillt werden, so dass sie zueinander parallel in einem Bündel ohne jede Kreuzung verlaufen.
In 6 ist dies dargestellt: Breiter gezeichnete Seiten verlaufen weiter vorn, schmaler gezeichnete weiter hinten. Auf diese Weise werden nicht nur Kreuzungen vermieden, sondern wegen der harmonischen geometrischen Funktion, nach der die Einzeldrähte geformt werden, auch die Längen der Drähte auf ein Minimum reduziert. Eine solche Wicklung ist allerdings nicht durch direktes Wickeln in der endgültigen Form herstellbar.
7 zeigt das erfindungsgemäße Herstellungsprinzip für eine solche Wicklung. Ein zerlegbarer oder nach innen faltbarer prismatischer Hilfskörper 1 wird zunächst so bewickelt, dass alle Einzelspulen 2 der Maschinenwicklung mit zugehörigen Zwischenverbindungen und Abständen bei einheitlichem Wickelsinn entstehen. Die Reihenfolge der Einzelspulen auf dem Hilfskörper ist so gewählt, dass sie bereits der endgültigen Reihenfolge der inneren Stäbe entspricht. Bezogen auf 6 sind dies also nacheinander alle Stäbe, die an das dicker dargestellte Ende der Verbindungsschleifen grenzen. Zwischen allen Einzelspulen sind Platzhalter 3 vorhanden, die die Lage und Form der Spulen vorgeben. Ist – wie im Allgemeinen erforderlich – das hintereinander Schalten von Einzelspulen einer Phasenwicklung vorgesehen, so wird auch die Reihenfolge beim Wickeln an diese Folge angepasst, so dass die Verbindungen von Spule zu Spule weitergeführt werden, ohne den Wickeldraht dazwischen trennen und später neu verdrahten zu müssen. In 7a seien zwei Spulen einer Phasenwicklung, die in 4 miteinander verbunden sind, fertig gewickelt. In 7b sind bereits alle Phasenwicklungen aufgebracht. Die Verbindungen zwischen den Spulen sind hier der Einfachheit halber nicht mehr dargestellt.
Im nächsten Schritt werden alle Einzelspulen an außen angebrachten Hilfsträgern 5 befestigt, die sie auch ohne Hilfskörper 1 ausreichend in ihrer Form und Lage fixieren. Insbesondere sollen die künftigen Stäbe in ihrer gesamten Länge gegen Verformen gesichert sind. Zur Befestigung dienen beispielsweise dünne Bänder, Garne oder vorgeformte Einlagen, die entweder im Wickel verbleiben oder sich später aus diesem wieder herausziehen lassen, oder auch Krallen, die von außen geschlossen und geöffnet werden können.
Danach werden, wie in 7c dargestellt, der Hilfskörper und die Platzhalter vom Wickel entfernt, nachdem diese z. T. zerlegt wurden, und die Bereiche der künftigen Wickelköpfe 6 bogenförmig nach außen geformt, während sich die Bereiche der Stäbe 7 einander annähern.
Im nächsten Schritt gemäß 7d werden die beiden Stab-Ebenen parallel gegeneinander verschoben und gleichzeitig weiter einander angenähert, wonach sich die äußeren Stäbe genau über den richtigen Lücken der inneren Stäbe befinden. Lagen bisher die Bögen der Wicklungsköpfe noch zueinander parallel, so beginnen sie jetzt zunehmend, sich gegenseitig zu verdrängen, was ein seilartiges Verdrillen der Drähte in den Wicklungsköpfen, so wie dies bei der erfindungsgemäßen Wicklungskonstruktion bereits beschrieben wurde, zur Folge hat. Für diesen Prozess ist das gute Fixieren der Stäbe besonders wichtig.
Durch weiteres einander Annähern der beiden Stab-Ebenen werden die inneren und äußeren Stäbe schließlich komplett zu einer abgeplatteten Wicklung ineinander verschachtelt und die Wickelköpfe ineinander verdrillt (s. 7e). Hierbei bleiben im Anfangs- und Endbereich noch Lücken 6 offen.
Wurde der abgeplattete Wickel genügend entspannt, z. B. durch Komprimieren oder Nachformen der Wicklungsköpfe, so können die Hilfsträger teilweise entfernt oder in der Weise gelöst werden, dass sie die Stab-Ebenen zwar noch von außen gegeneinander drücken, jedoch die Lage der Einzelstäbe zueinander nicht mehr fixieren.
Im letzten Arbeitsschritt muss der abgeplattete Wickel nun in seine endgültige Form aufgerollt werden, z. B. über eine zylinderförmige Schablone, so dass die fertig geformte Wicklung entsprechend 7f entsteht. Dabei werden noch die Endbereiche mit ihren Lücken ineinander verschränkt, so dass im Ergebnis eine im Umfang gleichmäßig verteilte Stabwicklung mit korrekten Winkelpositionen der Einzelstäbe entsteht. In vielen Fällen kann es sich als vorteilhaft erweisen, anstelle einer zylinderförmigen Schablone bereits den magnetischen Rückschluss des Stators außen zu umwickeln (Außenläufer) oder den Wickel von innen in diesen einzupassen (Innenläufer).
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Hilfsträger, oder Teile davon, aus flexiblem Material zu fertigen, so dass sie zunächst mit aufgerollt und erst anschließend entfernt werden. Auch eine Unterteilung dieser Hilfsträger in einzelne Segmente, die nur zeitweise miteinander fest verbunden sind, kann einzelne Arbeitsschritte vereinfachen.
Mit Hilfe geeigneter Druckstücke oder Spannbänder wird der gesamte Wickel im Bereich der Stäbe radial komprimiert und verklebt, verbacken – z. B. durch Beaufschlagen einer Backlack-Wicklung mit einem Heizstrom – oder vergossen.
Alternativ ist es möglich, den Wickel nicht sofort vollständig abzuplatten, zunächst nur die inneren Stäbe in ihrem Abstand zu fixieren und diese Ebene zuerst aufzuwickeln, während die Einzelspulen anfangs noch sternförmig radial nach außen stehen. Anschließend können dann die frei beweglichen Spulen lamellenartig in Richtung Innendurchmesser verformt und letztendlich mit den äußeren Stäben in die Lücken zwischen den inneren Stäben eingepasst werden.
Alternativ kann teilweise oder vollständig darauf verzichtet werden, die äußeren Stäbe korrekt zwischen die inneren zu verschachteln. So könnten die Einzelspulen beim Wickeln mit kleineren Abständen oder ganz ohne Abstände aneinander grenzen und in der fertigen Maschinenwicklung die äußeren Stäbe vollständig außerhalb der inneren liegen oder in diese nur unvollständig keilförmig eindringen. Die funktionell bessere Variante ist aber die ursprünglich dargestellte mit auf Lücke montierten äußeren Stäben.
Alternativ kann auf Platzhalter am Hilfskörper verzichtet werden, wenn auf andere Weise, z. B. durch weiche oder adhäsive Oberflächen, durch Klemmen oder durch gleichzeitiges Wickeln benachbarter Spulen, für eine ausreichend korrekte Lage der Wickeldrähte auch während des Wickelvorgangs gesorgt wird, oder wenn kein vollständiges Verschachteln der Stäbe angestrebt wird.
Ergibt sich aus der Bemessung der Maschine ein im Vergleich zu den Abmessungen des Wickels großer Wickeldraht-Durchmesser, so kann die dargelegte Technologie wegen der erforderlichen Umformprozesse schwer oder gar nicht durchführbar sein. Für diese Fälle wird vorgeschlagen, dickere Drähte durch eine Anzahl dünnerer Drähte zu ersetzen, die bi- oder multifilar gewickelt werden und in der Summe die gleiche Querschnittsfläche aufweisen, jedoch im Bündel biegsamer sind. Aus gleichem Grunde kann es auch sinnvoll sein, die Einzelspulen einer Phasenwicklung nicht in Reihe, sondern mit dünnerem Draht und höherer Windungszahl gewickelte Einzelspulen parallel zu schalten.
Anstelle der weit verbreiteten Verwendung lamellierter Eisenpakete bietet es sich insbesondere für Innenläufer an, den zylindrischen Wickel mit lackisoliertem Weicheisen-Draht als magnetischen Rückschluss zu umwickeln. Neben einer so erzielbaren sehr kompakten Bauform und innigen mechanischen Verbindung zwischen Wicklung und Eisenrückschluss hat dies die Vorteile, dass

– auch unregelmäßige Querschnittsformen realisierbar sind, ohne Bleche verschiedener Größen und Formen herstellen und kombinieren zu müssen,
– Wirbelströme nicht nur in axialer sondern auch radialer Richtung – insbesondere an den Rändern im Bereich der Wicklungsköpfe – verhindert werden,
– im Unterschied zu Blechpaketen, deren Stanzabfälle oft größer als die Nutzflächen sind, bei der Herstellung als Drahtwickel praktisch keine Abfälle mehr anfallen,
– anstelle aufwändiger und verschleißender Schneidwerkzeuge nur einfache Wickelkörper gebraucht werden und zur Herstellung die technologische Ausstattung einer Wickelei genügt,
– eine aufwändige Herstellungsvorbereitung entfällt, wodurch selbst Einzelmuster und Kleinserien einfach realisierbar sind.

Ist der Eisendraht mit Backlack beschichtet, so ist ein gemeinsamer Backprozess des gewickelten Rückschlussrings mit der Wicklung möglich. Daneben eignen sich aber auch alle anderen bekannten Verfahren, wie z. B. Vakuumtränken, herkömmliches Verkleben oder Vergießen – auch in Verbindung mit beliebigen Kunststoff-Urform-Verfahren.
Im Vergleich zu bekannten Herstellungsmethoden, die die Montage einzeln vorgefertigter Phasenwicklungen erfordern, ist die vorgestellte besser automatisierbar und insgesamt produktiver und führt zu kompakteren, den Wickelraum besser ausnutzenden Wicklungen.
Je nach Aufgabenstellung kann es sinnvoll sein, nicht den gesamten Wickel, sondern nur Teilsegmente davon, z. B. Hälften, in einem Stück zu fertigen. Dies ist mit der aufgezeigten Technologie problemlos möglich, indem der fertige Wickel nicht nur eine Stoßstelle zum Zusammenfügen aufweist, sondern mehrere. Im übrigen gibt es keine Unterschiede bei der Herstellung.
Die Herstellungstechnologie wurde bisher anhand einer zylindrischen Wicklung dargestellt. In gleicher Weise können aber auch konische oder sphärische Wicklungen hergestellt werden. Hierzu muss der offene Wickel vor dem Aufrollen die Form einer Kegelstumpf-Abwicklung annehmen. Dies wird erreicht, wenn der Hilfskörper, auf den gewickelt wird, anstelle der geraden prismatischen eine Ringsegment-Form besitzt, oder die Einzelspulen des prismatischen Wickels vor oder nach dem Abplatten nach dieser Form ausgerichtet werden. Es ist zu beachten, dass die beiden Wicklungsköpfe wegen der konischen Form unterschiedliche Längen aufweisen müssen, was sich im etwa trapezförmigen Querschnitt des Hilfskörpers niederschlagen muss. Im Falle des Ringsegment-Hilfskörpers muss auch die Wickelvorrichtung geeignet sein, die Drehachse während des Wickelvorgangs so zu neigen dass die Wicklung strahlenförmig ausgerichtet ist, was durch exzentrisch verstellbare Ankerpunkte auf der Antriebswelle möglich ist.
Eine sphärische Wicklung, z. B. für Kugelmotoren, lässt sich zunächst wie eine konische fertigen und im aufgerollten Zustand vor dem Verkleben in die sphärische Form drücken, da die Stäbe im umzuformenden Bereich nur aus axial-radial ausgerichteten, nebeneinander liegenden Drähten bestehen, die bogenförmig nach außen zu verformen sind.
Besonders für die Herstellung von Prototypen oder Einzelmustern, aber auch für die Serienproduktion großer Maschinen mit großen Drahtdurchmessern und kleinen Windungszahlen, lassen sich die Verfahrensschritte etwas abwandeln. Hierdurch kann einerseits auf die Fertigung angepasster Hilfsmittel gemäß oben dargelegter Technologie verzichtet, andererseits dem Problem der schwierigen Verformbarkeit großer Querschnitte entgegengewirkt werden. Anstelle des komplexen Hilfskörpers mit den Platzhaltern und Hilfsträgern wird eine einfache Wickelschablone für Einzelspulen angefertigt, auf der dann jede Spule einzeln gewickelt und vorläufig abgebunden wird. Anschließend werden die Spulen zumindest annähernd in die Helix-Form gedrückt, die sie später im fertigen Wickel einnehmen sollen. Besonders die Bereiche im Wickelkopf sind zunächst bogenförmig nach außen zu drücken und nachfolgend schraubenartig zu formen, indem ein stabförmiges Werkzeug in den Bögen je eine Vierteldrehung ausführt. Alternativ, vor allem für große Durchmesser, werden passende Umformwerkzeuge verwendet. Zur Montage der Einzelspulen kann eine Schablone mit maßgenauer Winkelteilung für deren richtige Position benutzt werden. Nachdem zunächst alle inneren Stäbe an der Schablone fixiert wurden, werden alle Spulen lamellenförmig umgeklappt, während gleichzeitig die Spulenköpfe ineinander verschachtelt werden. Zum Schluss schließen die äußeren Stäbe die Lücken der inneren. Die weitere Verarbeitung erfolgt wie oben beschrieben.
Diese Hilfstechnologie ist weniger produktiv, erspart aber hohe Vorbereitungskosten.
4)
Schaltgetriebe haben die Aufgabe, Drehzahl und Drehmoment so zu transformieren, dass beide gegeneinander laufenden Größen im jeweiligen Betriebsfall optimal sind. Ist die mechanische Leistung etwa konstant und werden die Verluste des Getriebes vernachlässigt, so sind nach P_mech = 2πn·M Drehzahl und Drehmoment entgegengesetzt proportional. Bei der TBLDC-Maschine ist das Drehmoment proportional zum Wicklungsstrom, während die Drehzahl proportional zur induzierten Spannung ist. Somit lassen sich direkte physikalische Analogien zwischen Drehmoment und Wicklungsstrom, sowie zwischen Drehzahl und induzierter Spannung, die die Klemmenspannung direkt beeinflusst, herstellen. Wird eine Maschine für eine Nenndrehzahl bei zugehöriger Nennspannung ausgelegt, so errechnet sich hieraus die Windungszahl. Der Drahtquerschnitt ist von der maximal geforderten Stromstärke abhängig. Damit liegen die optimalen Betriebsparameter fest.
Soll nun eine TBLDC-Maschine elektrisch so umschaltbar sein, als besitze sie ein Schaltgetriebe, so heißt das, für große Betriebsstromstärken mit kleineren Betriebsspannungen zu arbeiten und umgekehrt.
Zur Lösung dieser Forderung werden erfindungsgemäß zwei alternative Wege beschritten. In Variante 1 werden die elektrische Quelle für Motoren, oder die elektrische Senke für Generatoren in eine Anzahl von – im Allgemeinen gleichartigen – Elementen aufgeteilt und diese Elemente dann je nach Betriebsfall entweder in Reihe oder parallel oder in Gruppen teils in Reihe und teils parallel geschaltet. Bei batteriebetriebenenen Maschinen bestehen diese Elemente beispielsweise aus Akkumulatorbatterien einer bestimmten Spannung und einer bestimmten Kapazität. Für Maschinen, die über Transformatoren oder Schaltnetzteile betrieben werden, bestehen die Elemente aus parallel vorhandenen gleichartigen Schaltungsteilen.
In Variante 2 werden Strom und Spannung in die jeweils angepasste Höhe transformiert. Für eine zugeführte Gleichspannung werden hierfür pulswellenmodulierte Schaltregler bekannter Ausführung benutzt, die zu einer Wandlung der mittleren Spannungen und Ströme führen.
Anhand prinzipieller Ausführungsbeispiele in erfindungsgemäßen Ausführungen soll die Erfindung nachstehend unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden.
Es zeigen:
8 eine beispielhafte Ansteuerschaltung für einen TBLDC-Motor mit Schieberegister,
9 das zugehörige Zeitdiagramm,
10 eine an 8 angepasste Mikrocontroller-Baugruppe zum Generieren der Zeitabläufe und zum Optimieren des Wirkungsgrads,
11 eine Wickelvorrichtung zur Herstellung einer vollständigen zylindrischen Wicklung,
12 den prinzipiellen Stromlaufplan eines „elektrischen Schaltgetriebes” für einen Fahrzeugantrieb mit Rückladung von Bremsenergie.
Der Motor für die Ansteuerschaltung nach 8 besitze 9 Phasenwicklungen L1 ... L9. Die positive Motorspannung UMOT wird je nach Schaltzustand über die Transistoren U10 ... U18 der Wicklung zugeführt. Die negative Motorspannung gelangt als Massepotential GM über die Transistoren U1 ... U9 an die Wicklung. Die Transistoren Q1 ... Q9 dienen der Pegelanpassung. Die Schieberegister IC1 ... IC3 bilden eine 18-stufige lineare Registerkaskade mit dem Dateneingang DS, dem Schiebetakteingang SHCP, dem Latch-Übernahmetakteingang STCP und dem Rücksetz-Eingang /MR. Im Beispiel wird als Schieberegister der Standardtyp 74HC595 verwendet, der sich zusätzlich durch Ausgangs-Latches auszeichnet, die einen wirklich gleichzeitigen Übergang aller Einzelsignale beim Phasenwechsel gewährleisten.
Die Ansteuerung der Schieberegister erfolgt aus einem Mikrocontroller gemäß Taktdiagramm nach 9. Dabei variiert die Taktfrequenz in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehzahl, was hier nicht besonders dargestellt wurde. Im Abschnitt a) wird nach einem Master-Reset auf /MR, der alle Triggerstufen und Latches zurücksetzt und alle Schalttransistoren ausschaltet, zunächst der Dateneingang DS gesetzt, wonach drei Impulse über SHCP die ersten drei Trigger-Stufen des Schieberegisters setzen. Hiernach befindet sich der Schiebeimpuls von 3 Taktperioden Länge, wie er in 3 dargestellt ist, zunächst einmal im Schieberegister. Mit einer bestimmten Anzahl weiterer Impulse auf SHCP wird dieser Schiebeimpuls im Abschnitt b) verschoben, so dass hiernach drei andere aufeinanderfolgende Triggerstufen gesetzt, alle anderen aber rückgesetzt sind. Dies entspricht einem bestimmten Phasenwinkel der Ansteuerung des Motors. Erst ein Impuls auf STCP bewirkt danach, dass die Triggerzustände auf die Latches übertragen und die zugehörigen Schalttransistoren durchgesteuert werden. Auf diese Weise kann also jede beliebige Phase des Motors wahlfrei und je nach Rotorlage direkt angesteuert werden – z. B. beim Anlaufen oder im 4-Quadranten-Betrieb. Soll anschließend der nächste Phasenschritt ausgeführt werden, so genügt je ein Impuls auf SHCP und anschließend auf STCP, um zunächst die Position im Schieberegister weiter zu schalten und den neuen Zustand anschließend in die Ausgabe-Latches zu übernehmen (Abschnitt c)). Für eine kontinuierliche Drehbewegung wiederholt sich dann der Abschnitt c) einige Male, bis die Zählfolge wieder von vorn beginnen muss. In dem Moment, wenn der Schiebeimpuls wieder die erste Register-Stufe erreichen soll, muss zusätzlich DS für die Dauer von insgesamt drei SHCP-Impulsen gesetzt sein (Abschnitt d)).
Das direkte Ansteuern einer bestimmten Phase, z. B. beim Start, erfolgt ähnlich, wie im Quadranten-Betrieb. Die tatsächliche Schiebetakt-Frequenz kann weit höher sein, als die Frequenz des Phasenwechsels. Hat der Motor eine Vorzugsrichtung, so sollte die gezeigte Impulsfolge an diese Richtung angepasst sein. Es ist aber jederzeit möglich, entsprechend den Abschnitten a) und b) Phasen ein jedes Mal direkt zu adressieren und somit die Maschine in der Gegenrichtung zu betreiben. Technisch bedeutet dies kein Problem, weil die zulässigen Taktfrequenzen in der Praxis weit höher sind, als die Frequenzen der Kommutierung.
Bemerkenswert ist die Tatsache, dass allein durch das Verlängern der Impulslänge von DS eine längere Übergangsphase für das Umschalten der Stromrichtung in den betroffenen Phasenwicklungen erreicht wird. Neben dem Kurzschließen von jeweils nur einer Phasenwicklung können so auch auf einer Seite zwei Segmente und auf der gegenüberliegenden Seite ein Segment kurzgeschlossen werden, oder auch drei gegenüber von zwei Segmenten usw. Hierdurch ist eine optimale Anpassung an die Eigenschaften des Magnetfelds im Übergang zwischen den Magnetpolen und sogar eine Anpassung an unterschiedliche Lastbereiche möglich, wozu der oben beschriebene Algorithmus zum Auffinden des Optimums benutzt werden kann.
10 zeigt die einfache Ankopplung der Ansteuerschaltung nach 8 an einen 8-Bit-Mikrocontroller IC1 mit den Steuerleitungen DS, STCP, SHCP und /MR, sowie den Eingängen für die beiden Hall-Sensoren HAL0 und HAL1 am Port 7. Außerdem bestimmt der Mikrocontroller über den PWM-Ausgang PD6 und eine Schaltstufe Q1, Q2, R1, R2 mit Ladedrossel L, Freilaufdiode D und Ladekondensator C als Schaltregler in bekannter Ausführung die Motorspannung UMOT und somit die Drehzahl bei vorgegebener oder proportionaler Last. Hiermit wird die Funktion eines stufenlosen elektrischen Schaltgetriebes nach der beschriebenen Variante 2 erreicht.
Über den Spannungsteiler R3, R4 gelangt eine der Motorspannung proportionale Größe an einen Analogeingang des Mikrocontrollers. Zum Messen des Motorstroms wird die Spannung am niederohmigen Shunt-Widerstand R5 über die Verstärkerstufe IC2A, R6, R7 verstärkt und einem weiteren Analogeingang zugeführt. Spannungs- und Strommessung dienen einerseits zur Begrenzung dieser Größen als Überstrom- und Überspannungs-Schutz, gleichzeitig aber auch zur Ermittlung der elektrischen Eingangsleistung. Im Zusammenhang mit den beiden Hall-Sensoren und der in der Hauptanmeldung beschriebenen Optimum-Suchfunktion wird der Phasenwinkel-Offset so verstellt, dass ein lokales Minimum des Produkts aus Spannungs- und Strommessergebnissen erreicht wird.
Die hier für einen TBLDC-Motor angegebenen Beispiele sind unmittelbar auch für TBLDC-Generatoren anwendbar. So wird die Schaltung nach 8 in gleicher Topologie als Synchrongleichrichter umgestaltet, während die Steuerung nahezu unverändert bleibt.
Nachfolgend wird nun das Prinzip der Wicklungsherstellung an dem Beispiel einer erfindungsgemäßen Ausführung für 9 Phasenwicklungen und 4 Pole, also 18 Spulen, näher erläutert. Der grundlegende Aufbau des Hilfskörpers und seine Handhabung wurden bereits in 7 gezeigt. Neben der dort dargestellten zerlegbaren Variante, bei der die Holme 11 zur Entnahme des fertigen Wickels von den festen Seitenplatten 12 demontiert werden können, besitzen die Seitenplatten in einer nicht dargestellten Version eine Schnellspannvorrichtung, mit deren Hilfe die vier Holme gleichzeitig von der normalen Position aus nach innen geklappt werden können, um die Entnahme des Wickels auch ohne Zerlegen zu ermöglichen.
11 zeigt die Einzelheiten einer solchen Wickelvorrichtung für zylindrische Wicklungen. In der Übersichtsskizze 11a sind zunächst die funktionell wesentlichen Teile für eine der beiden Stab-Ebenen dargestellt.
Die Holme 11 besitzen ein spezielles Profil. Die V-förmigen Wicklungsgräben 20 nehmen die einzeln zu wickelnden Spulen auf und fixieren Sie als Platzhalter an der korrekten Position. Oberhalb des Wickelkörpers sind eine Halteplatte 30 und je zwei Spannkämme 31 dargestellt, die die Funktion des Hilfsträgers 5 in 7c übernehmen.
Vor dem Wickeln wird auf die profilierten Holme je ein Spannband 32 entlang der Führung 33 aufgelegt und in die Wicklungsgräben mit einer formgenauen Schablone eingedrückt. Hiernach hat das Band die Lage und Form, wie in 11b dargestellt und ist zum Bewickeln bereit. Nach Fertigstellung aller Spulen 40 werden von außen die Halteplatten aufgesetzt (s. 11c) wonach entlang deren Oberfläche die beiden Spannkämme seitlich in die Kamm-Nuten 34 eingeschoben werden. Anschließend wird entsprechend 11d der Hilfskörper nach dessen Demontage oder Faltung nach innen entfernt. Indem nun die beiden Spannkämme gegeneinander verschoben werden, wird das Spannband gestrafft und die darunter liegende Wicklung an der Halteplatte fixiert. Die Wicklung wird mit den Spannbändern zuverlässig an den Halteplatten gehalten, so dass nun alle weiteren Verfahrensschritte durchgeführt werden können, wie in 7 illustriert.
In 12 ist das Ausführungsbeispiel eines 3-stufigen elektrischen Schaltgetriebes schematisch dargestellt. Die bezeichneten Anschlüsse 12P und GND sind mit den gleichnamigen Anschlüssen in 10 verbunden. Die baugleichen Akkumulatoren G1 ... G4 sind über die simultanschaltenden Umschalter-Gruppen S1A ... S1D und S2A, S2B miteinander und mit dem Ausgang verbunden. In der dargestellten Stufe 1 sind alle Akkumulatoren parallel geschaltet, so dass die Ausgangsspannung 12P so groß ist, wie die Einzelspannung der Akkumulatoren. Werden S1A ... S1D gleichzeitig umgeschaltet, so sind jeweils G1 und G2, sowie G3 und G4 in Reihe geschaltet, aber in Gruppen zueinander wieder parallel. Somit gleicht in dieser Stufe 2 die Ausgangsspannung der doppelten Einzelspannung. Werden zusätzlich S2A und S2B gleichzeitig umgeschaltet, so sind alle Akkumulatoren in Reihe geschaltet, so dass sich in Stufe 3 die vierfache Einzelspannung am Ausgang ergibt. Werden nur S2A und S2B, jedoch nicht S1A ... S1D, gegenüber dem Grundzustand umgeschaltet, so ergibt sich eine Reihenschaltung von G1, G2 und G3, G4 in zueinander parallel geschalteten Einzelgruppen, was wieder der beschriebenen Stufe 2 entspricht. Es ist leicht zu ersehen, dass sich die Ströme entgegengesetzt zu den Spannungen verhalten, nämlich den Stufen 1, 2, 3 zugeordnet 4-, 2- und 1-fach gegenüber den Einzelströmen der Akkumulatoren.
Gerade in elektrisch betriebenen Fahrzeugen ist es mit dieser Schaltung möglich, in Stufe 1 mit großem Strom und kleiner Spannung anzufahren. Hierdurch werden die Batterien geschont, eine größere Drehmoment-Reserve ist nutzbar und der Wirkungsgrad bei kleinen Drehzahlen ist höher. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird dann automatisch in die Stufen 2 und 3 umgeschaltet, so wie man es von mechanischen Schaltgetrieben in Fahrzeugen kennt. Beim Rückladen von Bremsenergie wird der Ladestrom ebenso an die Fahrgeschwindigkeit und das geforderte Bremsmoment angepasst.
Im dargestellten Beispiel werden die Umschalter von zwei Relais betätigt, die wiederum direkt vom Mikrocontroller angesteuert werden – hier nicht dargestellt. Ebenso können in bekannter Weise die mechanischen Relais durch Halbleiterrelais oder andere, vorzugsweise über Optokoppler verbundene Halbleiter-Schalter, z. B. Leistungs-MOSFETs, ersetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008036704 A [0001]
DE 102008036704 [0003]
DE 2821485 A [0011]
DE 10114129 A [0011]
DE 4021256 [0011]
US 027933 [0015]
US 5197180 [0016]
US 5294855 [0016]

Claims

Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer Anzahl zyklisch in Reihe geschalteter gleichartiger Wicklungselemente mit Knotenpunkten zwischen einander besteht, und – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und den Betriebsstromschienen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereingänge des Kommutators mit den Ausgängen eines Schieberegisters verbunden sind und von diesen sequenziell gesteuert werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge des Schieberegisters entlang ihrer aufsteigenden Reihenfolge wechselweise mit dem Steuereingang eines Schaltelements zur positiven, und dem eines Schaltelements zur negativen Betriebsstromschiene verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Datenausgänge des Schieberegisters über ein Latch gepuffert sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberegister wenigstens über einen Dateneingang, einen Schiebetakt-Eingang und einen Reset-Eingang gesteuert wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereingänge des Schieberegisters mit einem Mikrocontroller oder Mikrorechner verbunden sind.
Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer Anzahl zyklisch in Reihe geschalteter gleichartiger Wicklungselemente mit Knotenpunkten zwischen einander besteht, und – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und den Betriebsstromschienen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der sie steuernde Mikrocontroller oder Mikrorechner zum Zwecke der Optimum-Suche von Betriebsparametern der Maschine deren Klemmenspannung, deren Klemmenstrom und/oder die elektrische Leistung als aus beiden errechnetes numerisches Produkt in der Weise auswertet, dass der zu optimierende Parameter in kleinen Schritten variiert und der dabei bestimmte elektrische Messwert für benachbarte Schritte der Betriebsparameter verglichen wird.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zu optimierende Betriebsparameter die Kommutierungsphase ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zu optimierende Betriebsparameter die Dauer der Kurzschluss-Phase bei der Kommutierung ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Bewertung der Abhängigkeit zwischen untersuchtem Betriebsparameter und ausgewerteten elektrischen Größen die Variation des Betriebsparameters und die Auswertung der zugehörigen elektrischen Größen mehrfach hintereinander erfolgt und aus den Einzelergebnissen statistische Parameter, insbesondere Mittelwerte, erhoben und ausgewertet werden.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als optimal ermittelten Betriebsparameter, zugeordnet zu relevanten elektrischen Messwertbereichen, in einem nicht-flüchtigen Datenspeicher abgespeichert und bei Bedarf, insbesondere bei jedem Neustart der Maschine, abgerufen und ausgeführt werden.
Wicklung für eine Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer Anzahl zyklisch in Reihe geschalteter gleichartiger Wicklungselemente mit Knotenpunkten zwischen einander besteht, und – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und den Betriebsstromschienen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen oder Einzelwindungen Bereiche mit schrauben- oder helixförmigem Verlauf aufweisen, die in der fertigen Wicklung ineinander verschachtelt in einem kompakten, seilartig verdrillten Wicklungskopf verlegt sind.
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Wicklung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spulen der gesamten Wicklung, oder eines Teils davon, zunächst auf einen prismatischen Hilfskörper gewickelt, anschließend alle Einzelspulen an von außen angebrachte Hilfsträger befestigt, danach der Hilfskörper aus dem Wickel entfernt, die beiden Stab-Ebenen bei gleichzeitiger Umformung des Bereichs der Wickelköpfe gegeneinander verschoben und zueinander angenähert werden, wodurch es zum seilartigen Verdrillen der Drähte in den Wicklungsköpfen und zum gleichzeitigen Abplatten der Wicklung kommt, und dass der abgeplattete Wickel anschließend in seine endgültige Form aufgerollt wird.
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Wicklung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelspule einzeln auf eine Wickelschablone gewickelt und anschließend etwa in die endgültige Form gedrückt wird, wonach sie in maßgenauer Winkelteilung zu den anderen zunächst mit nur einem Spulenschenkel in den Wickel eingefügt und nach derartiger Vormontage aller Einzelspulen gleichzeitig mit diesen in die endgültige Form der Wicklung lamellenartig eingeklappt und verschachtelt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfskörper zerlegbar oder nach innen faltbar ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur temporären Befestigung der Wicklung an den Hilfsträgern Krallen dienen, die an den Hilfsträgern befestigt sind und von außen geschlossen und geöffnet werden können.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur temporären Befestigung der Wicklung an den Hilfsträgern Garne, Bänder oder profilartig vorgeformte Einlagen dienen, die beim Wickeln zwischen Wicklung und Hilfskörper liegen, zwischen den Spulen aber mit Hilfe des Profils des Hilfskörpers in Schlaufen oder Maschen nach außen gehalten und nach dem Wickeln am Hilfsträger befestigt werden.
Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass Garne, Bänder oder profilartig vorgeformte Einlagen mit Hilfe einer oder mehrerer kammförmiger Spannplatten gegen den Hilfsträger verspannt werden.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelspulen in der Reihenfolge gewickelt werden, in der sie elektrisch miteinander zu verbinden sind, und dass die sich beim Wickeln ergebende elektrische Verbindung zwischen den Einzelspulen nicht getrennt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Hilfskörper Platzhalter vorhanden sind, die die Einzelspulen in Ihrer axialen Lage ausrichten und fixieren.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bewickelnde Oberfläche des Hilfskörpers weich oder adhäsiv ausgebildet ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit mehreren parallel laufenden Drähten gewickelt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle eines einzelnen Wickeldrahtes eine Anzahl parallel gewickelter dünnerer Wickeldrähte verwendet wird, um eine bessere Formbarkeit im Herstellungsprozess zu erreichen.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelspulen einer Phasenwicklung oder Gruppen davon parallel geschaltet werden, um die Wicklung mit technologisch besser geeignetem dünneren Wickeldraht ausführen zu können.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass innere und äußere Stäbe während des Abplatt-Prozesses, bzw. während des Einklappens, ineinander verschachtelt werden, so dass alle Stäbe in einer einheitlichen Durchmesser-Ebene der Maschine liegen.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsträger segmentiert ausgeführt sind.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsträger aus einem flexiblen Material bestehen.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufrollen der Anfangs- und Endbereich des Wickels so ineinander verschachtelt wird, dass sich im Stoßbereich zwischen beiden die gleiche Form und Struktur wie in der gesamten übrigen Wicklung ergibt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrollen oder Einklappen direkt auf den magnetischen Rückschluss erfolgt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgerollte Wicklung mit Spannelementen komprimiert und während der Kompression verklebt oder vergossen wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung mit Backlackdraht ausgeführt ist und durch Beaufschlagung mit einem Heizstrom verklebt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgerollte Wicklung direkt von außen mit einem isolierten Weicheisendraht als magnetischen Rückschluss umwickelt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 12 oder 13 und 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Weicheisendraht mit Backlack umhüllt ist und durch Beaufschlagung mit einem Heizstrom verklebt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung konischer Wicklungen der Hilfskörper, auf den gewickelt wird, anstelle der geraden prismatischen eine Ringsegment-Form besitzt, oder die Einzelspulen des prismatischen Wickels vor oder nach dem Abplatten nach dieser Form ausgerichtet werden.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung konischer Wicklungen der Hilfskörper oder die Wickelschablone einen trapezähnlichen Querschnitt aufweist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des Hilfskörpers so auf der Antriebswelle befestigt ist, dass sie während des Wickelvorgangs bezüglich der Wickelachse geneigt werden kann.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung sphärischer Wicklungen zuerst konische Wicklungen hergestellt werden, die vor dem Verkleben in die erforderliche sphärische Form gedrückt werden.
Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer Anzahl zyklisch in Reihe geschalteter gleichartiger Wicklungselemente mit Knotenpunkten zwischen einander besteht, und – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und den Betriebsstromschienen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Anpassung der elektrischen Anschlusswerte an die Drehzahl die elektrische Quelle für Motoren, bzw. die elektrische Senke für Generatoren in eine Anzahl von Elementen aufgeteilt ist und dass diese Elemente über Schalter, Relais oder Halbleiterschalter in der Weise umschaltbar miteinander verbunden sind, dass sie je nach Betriebsfall entweder in Reihe oder parallel oder in Gruppen teils in Reihe und teils parallel geschaltet werden.
Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer Anzahl zyklisch in Reihe geschalteter gleichartiger Wicklungselemente mit Knotenpunkten zwischen einander besteht, und – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und den Betriebsstromschienen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Anpassung der elektrischen Anschlusswerte an die Drehzahl ein pulswellenmodulierter Schaltregler zwischen Kommutator und Betriebsspannung geschaltet ist.