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Anordnung zum Unterdrücken von Harmonischen in magnetischen Kraftflüssen
für umlaufende elektrische Maschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung
zum Unterdrücken von schädlichen Wirkungen elektrischer höherwelliger Kraftflüsse
in dynamoelektrischen, elektromagnetischen, elektromechanischen und rotierenden
Induktionsvorrichtungen, bei denen die Energie von einem Teil eines Gerätes auf
einen anderen über einen Luftspalt übertragen wird. Der Zweck der Anordnung besteht
darin, eine relative Drehbewegung als Motor oder als Generator zu erzielen oder
auch eine relative Winkelbewegung, wie z. B. in Drehgebern, zu erhalten und das
Ausmaß der Winkelbewegung anzuzeigen.
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In allen derartigen dynamoelektrischen Geräten führt das Vorhandensein
von Oberwellenflüssen zu erhöhten magnetischen Stromverlusten und zu ungewollten
Spannungseffekten wie auch zu Fehlern in der Lageanzeige. Bei Induktionsmotoren
wirken die Oberwellen schädlich auf das Anlauf- und Betriebsverhalten ein.
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In allen derartigen Maschinen wird die Energie über elektromagnetische
Kraftlinienfelder übertragen. Um ein Optimum in der Beziehung zwischen einem solchen
magnetischen Feld und seiner Wirkung zu erzielen, soll der magnetische Kraftfluß
sinusförmig sein.
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In dynamoelektrischen Maschinen liegen die Spulen in Nuten eines Kernes
aus magnetisierbarem Material, z. B. Eisen oder Stahl. Elektrische Ströme durchfließen
die Spulen, erzeugen magnetomotorische Kräfte, und als Folge davon entstehen magnetische
Kraftlinienfelder, die das Eisen magnetisieren. Die übliche Verteilung der Spulenschenkel
im Eisen ist so, daß ein magnetisches Kraftlinienfeld gebildet wird, das in seinen
Werten eine rechteckförmige Wellenform darstellt. Infolgedessen enthält die rechteckförmige
Flußkurve Oberwellen, die den verschiedenen Harmonischen der Fourierreihe, die eine
derartige Wellenform mathematisch darstellt, entspricht. Darüber hinaus müssen diese
Oberwellen im gleichen Verhältnis oder in der gleichen Amplitude vorhanden sein,
wie sie durch die entsprechenden Glieder dieser Fourierreihe dargestellt sind. Die
unerwünschten oberwelligen Frequenzkomponenten des magnetisierenden Stromes und
des Kraftlinienfeldes sind schädlich und verursachen schädliche Effekte.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Betrachtungsweise, die in
einer Ausführungsform dargestellt ist_, und ferner auf ein Betriebsverfahren für
elektrische Maschinen, das diese oberwelligen Flußkomponenten isoliert und sie von
dem regulären Pfad des Magnetstromkreises trennt, der für den Grundfluß erwünscht
ist. Dadurch läßt sich die Energie der Grundwelle des Flusses voll nutzen, ohne
daß ungewollte Effekte überlagert werden, die sonst durch die oberwelligen Flußkomponenten
bewirkt werden.
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Um eine derartige Isolierung der oberwelligen Flußkomponenten zu erreichen,
ist ein magnetischer Hilfspfad dafür vorgesehen, der den Pfad der wirksamen Flußgrundquelle
shuntet.
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Gemäß der Erfindung ist eine verteilte Wicklung von Spulen mit einer
dünnen magnetisierbaren Metallfolie versehen derart, daß alle Spulenleiter der einzelnen
Spulen in jeder Nut über die Länge der Nut von dieser Folie umgeben werden, wobei
die gesamte Ouerschnittsfläche der Folienumhüllungen klein genug ist, daß sie durch
oberwellige Flußkomponenten des magnetischen Kraftlinienfeldes gesättigt wird, das
sich aus einem Strom in der verteilten Wicklung ergibt. Auf diese Weise liegt die
Folie in einer Nut zwischen den Spulenschenkeln und den zwei Zähnen des Eisenpaketes
auf beiden Seiten der Spule. Die Folie bildet somit einen Pfad, der den normalen
Weg des Flusses shuntet, welcher über die Zähne, zwei Luftspalte an den Enden der
Zähne und üblicherweise durch den anliegenden Eisenkörper auf entgegengesetzten
Seiten der Luftspalte führt.
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Die Erfindung sieht also nunmehr zwei Flußpfade vor. Ein Pfad ist
der gewöhnliche Pfad für den Hauptfluß, der zweite Pfad ist der neue Pfad gemäß
der Erfindung in Form der dünnen, magnetisierbaren
Folie. Dieser
Pfad durch die Folie dient als Kurzschlußpfad für die oberwelligen Flußkomponenten,
die sich auf die Folienwicklung beschränken und die auf diese Weise außerhalb des
Luftspaltes gehalten «-erden, der zum angrenzenden Eisen und zu der entsprechenden
Wicklung führt.
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Ein wesentliches Merkmal besteht darin, daß der Folienquerschnitt
so klein sein muß, daß die Folie durch die oberwelligen Flußkomponenten magnetisch
gesättigt wird. In einem derartig gesättigten Zustand wirkt die Folienwicklung auf
die Grundwelle des Flusses wie Luft; die Grundwelle nimmt dann ihren üblichen Weg
über den Hauptflußpfad in den Zähnen und über die benachbarten Luftspalte sowie
den Eisenkern und die Wicklungen.
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Die Erfindung ist generell anwendbar auf dem gesamten Gebiet der elektromechanischen
und dynamoelektrischen Maschinen. Sie ist besonders dort verwendbar, wo dynamoelektrische
Vorrichtungen in kleinen und kleinsten Größen für die Instrumentierung und Steuerzwecke
Verwendung finden, wobei die enge räumliche Anordnung zueinandergehöriger Teile
einen leichteren Durchtritt oder eine bessere Wirksamkeit schädlicher Verkettungen
oder Streuflüsse ermöglicht, die ungewollte, in bezug auf die Einrichtungen und
die Genauigkeit dieser Einrichtungen schädliche Spannungseffekte verursachen.
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Zum Zweck der Erläuterung wird der Erfindungsgedanke in Anwendung
auf drei verschiedene Arten von rotierenden Maschinen dargestellt, in denen die
Steuerung der Harmonischen, wie im folgenden gezeigt, besondere Vorteile bietet.
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Zwei der Maschinen sind dynamoelektrischerArt. Die eine ist als Tachometer
oder Geschwindigkeitsmesser und die andere als Induktionsmotor dargestellt. Die
dritte Art gehört der Gruppe der Drehgeber an. Dies sind kleine elektromechanisch
oder induktiv wirkende umlaufende Einrichtungen, die zur Instrumentierung sowie
für genaue Steuerungs- und Anzeigesysteme, einschließlich Fernübertragung und Fernmessung,
verwendet werden.
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Somit ist es Hauptaufgabe der Erfindung, ein neues Prinzip einer Konstruktion
und Vorrichtung für dynamoelektrische oder elektromechanische Einrichtungen vorzusehen,
bei denen die schädlichen und ungewollten Einflüsse elektrischer Oberwellen unterdrückt
und dadurch eliminiert werden, daß die oberwelligen Flußkomponenten auf einen Pfad
oder auf einen Bereich abgeleitet werden, wo sie keinen schädlichen Einfluß auf
die beabsichtigte oder gewünschte Wirkungsweise der Einrichtung ausüben können.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oberwelligen
Flußkomponenten außerhalb des Eisenkernes für die wirksamen Wicklungen zu halten.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine dynamoelektrische
Konstruktion zu schaffen, in der nur die Grundwelle des Flusses durch den Luftspalt
hindurchtritt und alle oberwelligen Flußkomponenten auf einen beschränkten und unwirksamen
Pfad abgeleitet werden, um mögliche schädliche Einflüsse auf die Arbeitswicklung
der `"orrichtung zu vermeiden.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der
Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar: Fig. 1 eine Schaltung,
bei der zwei Drehgeber dargestellt sind, Fig.2 eine perspektivische Ansicht eines
zweipoligen Rotors mit ausgeprägten Polen für einen Drehgeber, Fig. 3 eine perspektivische
Ansicht eines Stators für einen Drehgeber, Fig.4 eine perspektivische Ansicht einer
anderen Ausführungsform eines Rotors für einen Drehgeber. Fig. 5 Rotor- und Statorläuferblech
mit typischen Zähnen und Nuten und einer Trennung der Bleche in il\?ormalstellung
durch einen Luftspalt, Fig.6 eine graphische Darstellung der rechteckförmigen Wellenbildung
einer magnetomotorischen Spannungs- oder Flußkurve, wie sie durch eine verteilte
Wicklung und durch Mitteilung eines sinusförmigen Flusses erzeugt wird und wie sie
durch die verteilte Wicklung über eine Entfernung, die dem Raum zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Polen derselben Polarität entspricht, angestrebt wird, Fig. 7 eine graphische Darstellung
einer Halbwelle der Grundfrequenz und der entsprechenden Teile der 3. und 5. Harmonischen
der Fourierreihe, Fig. 8 schematisch und teilweise im Schnitt die Ansicht einander
gegenüberliegender Nuten und die benachbarten Zähne des Rotors sowie des Statoreisens,
um die Wirkungsweise der oberwelligen Flußkomponente auf die benachbarten Zähne
darzustellen, wobei die stromdurchflossenen Leiter in einer der Nuten dargestellt
sind. Diese Ausführungsform macht von der Erfindung keinen Gebrauch.
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Fig. 9 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung des Verfahrens
und der Ausführungsform einer Anwendung gemäß der Erfindung in einer Nut.
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Fig. 10 im Schnitt eine schematische Darstellung einer Nut und der
benachbarten Zähne, wonach ein anderes Verfahren zur Anwendung der Erfindung dargestellt
ist, indem die magnetisierbare Folie direkt gegen den Kern und die Zahnfläche gelegt
wird, ohne die dazwischen liegende Isolierung zu trennen.
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Fig. 11 zeigt einen Schnitt durch eine Nut, in der did Spulenschenkel
zweier einzelner Spulen übereinanderliegend in der gleichen Nut angeordnet sind.
wobei beide Reihen von Spulenschenkeln mit einem getrennten Folienbelag oder einer
Wicklung entsprechend Fig. 10 vorgesehen sind, und bei der veränderliche elektrostatische
Einwirkungen ausgeschaltet werden.
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In Fig. 12 ist schematisch und perspektivisch eine vollständige Spule
dargestellt, einschließlich der Spulenschenkel und Stirnteile, die beide mit magnetischer
Folie und einer äußeren Isolierung versehen sind.
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Fig. 13 zeigt die Skizze eines Resolvers (Auflöser mathematischer
Beziehungen hier: Zerleger eines Vektors in seine Komponenten) mit einem Rotor mit
zwei Koordinatenwicklungen und einen Stator mit ebenfalls zwei Koordinatenwicklungen,
wobei die Spulen jeder Wicklung in geeigneter Weise gewunden sind und geschützt
werden durch die magnetische Folie, die schematisch angedeutet ist. Die Spulen sind
nach einer oder mehreren der vorausgehenden Figuren der Zeichnung angeordnet.
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Fig.14 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Tachometergenerators,
dessen drehbare nichtmagnetische Induktionsrotorkappe in axialer Richtung aus ihrer
normalen Stellung im Luftspalt zwischen zwei konzentrischen Kernen für die entsprechenden
Wicklungen herausnehmbar ist.
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Fig.15 zeigt die Wicklungen des Motors und Tachometergenerators schematisch.
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Fig.16 stellt eine schematische Anordnung von entgegengesetzten Teilen
zweier Kerne dar und zeigt die relative Anordnung der beiden Wicklungen und ihrer
Stirnverbindungen sowie die nächstliegende
Anordnung der Pfade und
der Wirbeleffekte der oberwelligen Flüsse.
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Fig. 17 zeigt eine Ansicht ähnlich Fig. 16, bei der magnetische Wirbeleffekte
im Eisen und in den Zähnen fehlen, nachdem eine sättigungsfähige magnetische Folie
um die Spulenschenkel gemäß der Erfindung gelegt worden ist.
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Fig. 18 zeigt im Querschnitt schematisch das Ende der beiden Kerneisen
und die Rotorkappe sowie die Stirnverbindungen zweier entgegengesetzter Spulen und
stellt einen typischen Pfad und eine Anordnung von Streuflüssen zwischen den Stirnverbindungen
entgegengesetzter benachbarter Spulen der beiden Wicklungen dar, wobei sich die
Flüsse aus den magnetomotorischen Kräften ergeben, die in den Endflächen der Zähne
der äußeren Blechbegrenzung auftreten.
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Fig. 19 stellt eine graphische Darstellung der rechteckförmigen Welle
bzw. Stufenwelle des magnetischen Kraftflusses dar, wie sie durch die Primärwicklungsspulen
bei deren Erregung erzeugt wird.
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Fig. 20 ist eine graphische Darstellung, bei der der Kraftlinienfluß
unter bestimmten Lastbedingungen oder am Ausgang der Sekundärwicklung Trapezform
annimmt, und zeigt den scharfen Impuls am Ende der Flußkurve.
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Fig. 21 ist eine graphische Darstellung einer äquivalenten scharfen
Begrenzung auf der trapezförmigen Flußkurve nach Fig. 20 in Form eines Einheitsimpulses.
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Fig. 22 stellt schematisch einen Schnitt durch einen Wechselstrominduktionsmotor
mit Käfigläufer dar, der eine Anordnung gemäß der Erfindung aufweist.
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Fig. 23 zeigt schematisch die Ansicht eines Motors mit mehrphasiger
Statorwicklung.
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Fig.24 stellt die typische Drehmoment-Geschwindigkeitskurve eines
Induktionsmotors mit einer typischen Einsattelung, die den gewünschten kontinuierlichen
Drehmoment- und Geschwindigkeitsanstieg auf Grund unerwünschter oberwelliger Flüsse
im Luftspalt stört. Fig.1 stellt ein bekanntes einfaches Drehgeber-(Fernübertragungs-)System
mit einem Übertrager 20 und einem entfernt liegenden Empfänger 30 dar. Der Übertrager
20 weist einen Rotor und einen Stator auf. Der Rotor ist innerhalb des Statorkernes
um einen bestimmten Winkel drehbar und trägt eine Rotorwicklung 21. Der Stator trägt
drei Sätze von Spulen von jeweils gleich verteilten Phasenwicklungen 22, 23 und
24. Der Empfänger 30 besteht in ähnlicher Weise aus einem Rotor und einem Stator
mit ähnlichen Rotorwicklungen 21 a und Statorwicklungen 22a, 23a und 24a. Die zwei
Rotorwicklungen 21 und 21a werden aus dem gleichen Wechselstromnetz 25 gespeist.
Die zwei Sätze von Statorwicklungen sind mit entsprechenden Phasenklemmen verbunden.
Jede Winkelbewegung des Rotors des Übertragers 20 verursacht eine ähnliche entsprechende
Winkelbewegung des Rotors des Empfängers 30.
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Die Gruppe der Drehgeber weist eine große Anzahl von verschiedenen
Ausführungsmöglichkeiten auf. In Fig.2 ist ein Querschnitt durch einen zweipoligen
Rotor 27 mit ausgeprägten Polen gezeigt, der in etwa derselben Form im Übertrager
20 oder im Empfänger 30 nach Fig. 1 Verwendung findet. Fig. 3 zeigt einen Stator
28 für einen Übertrager oder Empfänger 30 aus Fig. 1. In Fig. 4 ist ein bewickelter
Rotor 29 mit schrägen Nuten dargestellt, der in Verbindung mit einem Stator nach
Fig.3 verwendet wird. Der bewickelte Rotor 29 braucht nur eine Wicklung aufzuweisen,
deren viele Spulen, wie angezeigt, als Rotor eines Steuerübertragers dienen, wobei
in diesem Fall nur zwei Schleifringe für Verbindungen zu äußeren Stromkreisen erforderlich
sind. Der in Fig. 4 dargestellte Rotor mit drei Schleifringen 31 kann einen Teil
einer Synchronisier-Differentialeinrichtung mit beispielsweise drei Wicklungen darstellen.
Als Teil eines Resolvers kann er zwei in getrennten Koordinaten angeordnete Wicklungen
aufweisen. Der Stator würde dann also zwei Koordinatenwicklungen besitzen.
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Fig.5 zeigt einen Satz von zusammenwirkenden Blechen 32 und 33 eines
Synchronrotors und -stators, auf denen getrennt Wicklungen aufgebracht sind, um
eine gewünschte Wirkung zu erzielen. Die Nuten 34 und 35 können verschiedene Form,
Gestalt und Größe haben. Die Anzahl der Nuten braucht in den beiden Blechen nicht
die gleiche zu sein und ist es auch üblicherweise nicht.
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Die Nuten werden durch Zähne getrennt, die als wirksame Elemente den
Pfad des Magnetflusses bilden und dessen Weg bestimmen. Da die Zähne auf diese Weise
durch Nuten getrennt sind, ist die Richtung und Leitung des magnetischen Flusses
am Luftspalt diskontinuierlich, und das magnetische Kraftlinienfeld ist entsprechend
durch eine diskontinuierliche Funktion gekennzeichnet, die durch den Stufenanstieg
in der Kurve 40 in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Kurve 40 stellt einen magnetischen
Fluß dar, der durch die Spulen einer Phasenwicklung über einen Teil des Kernes,
entsprechend 360 elektrischen Graden, ausgebildet ist. Die gestrichelt dargestellte
Sinuswelle 41 stellt die ideale Flußkurve dar, die stets angestrebt wird und die
durch die Art der Wicklungsverteilung beim Entwurf annähernd erreicht werden soll.
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Die stufen- bzw. rechteckförmige Gestalt des magnetischen Kraftlinienfeldes
beruht auf störenden Oberwellen. Die Fourierreihen, die mathematisch eine Stufenfunktion
entsprechend einer rechteckförmigen Welle darstellen, bestehen aus Grundfrequenz
und einer Reihe von oberwelligen Frequenzen. Die übliche dynamoelektrische Maschine
ist symmetrisch, wodurch geradzahlige Oberwellen ausscheiden. Nur die ungeradzahligen
Oberwellen bleiben, von denen nur die ersten drei Glieder einer Fourierreihe in
Fig. 7 dargestellt sind, in der die Grundwelle mit 44, die 3. Harmonische mit 45
und die 5. Harmonische mit 46 gezeigt ist. Durch besondere Verteilung und Auslegung
der drei Phasenwicklungen scheiden in manchen Fällen die 3. Harmonischen aus. Für
die Harmonischen unterhalb der 3. Harmonischen werden häufig Spezialwicklungen vorgesehen,
um bestimmte Harmonische zu unterdrücken. Trotzdem dienen alle üblichen Methoden
dazu, nur die unteren Harmonischen und ihre Vielfachen auszuschalten, und bedingen
einen verhältnismäßig hohen Aufwand in der Konstruktion und Anordnung. Gemäß der
Erfindung werden sämtliche Effekte aller Oberwellen, die sich aus der rechteckförmigen
Flußkurve ergeben, ausgeschaltet, und zwar durch eine einfache Konstruktion und
Anordnung.
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In welcher Weise die Oberwellen schädliche Einflüsse verursachen,
kann durch Betrachtung der Fig. 8 ersehen werden. Zwei magnetisierbare Körper, die
z. B. ein Rotoreisen 50 und ein Statoreisen 51 darstellen, sind mit Nuten und Zähnen
längs ihrer einander zugewandten Flächen, die durch einen Luftspalt 52 getrennt
sind, versehen. Das Rotoreisen 50 ist mit zwei Zähnen 54 und 55 dargestellt, die
durch eine Nut 56 getrennt sind, in der ein Bündel 57 von Spulenschenkeln untergebracht
ist. Die Spulenschenkel 57 stellen ein Bündel von Leitern im Schnitt
dar,
und sie füllen gewöhnlich die Nut 56 vollständig aus. Zwischen den Spulenschenkeln
und dem Eisen wird eine übliche Isolierung vorgesehen, die hier einfach durch Papierbeläge
oder Papierwicklungen 58 dargestellt wird und die aus Gründen der einfacheren heschreibung
von den Zähnen fortgelassen ist.
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Nimmt man an, daß die Spulenschenkel 57 Strom führen, so erzeugt die
magnetomotorische Irraft, die durch die Amperewindungen der Spulenschenkel57 erzeugt
wird, ein magnetisches Kraftlinienfeld um die Spulenschenke157 herum. Das Kraftlinienfeld,
das durch die Fourierreihe dargestellt wird, enthält die Grundwelle des Flusses
und dessen Oberwellen.
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Wie aus Fig. 7 entnommen werden kann, erreichen die Flußoberwellen
ihren maximalen positiven bzw. negativen Wert, bevor die Grundwelle einen auch nur
wesentlichen Teil ihrer Amplitude erreicht hat. Die Oberwellen durchdringen und
magnetisieren die Schicht der Wände benachbarter Zähne 54 und 55, bevor die Grundwelle
dies tun kann. Diese Oberwellen verursachen dann eine wirksame magnetische Oberwellen-
und Hochfrequenzsättigung und Wirbelung an den Kantenflächen 60 der Zähne 54 und
55 und längs des Nuteninneren 56. Die oberwelligen magnetomotorischen Kraftkomponenten
induzieren einen Oberwellennutstreufluß 61, einen Oberwellenluftspaltstreufluß 62
und einen Oberwellenluftspaltfluß 63. Dieser Luftspaltfluß 63 durchsetzt den Luftspalt
und magnetisiert die Seitenflächen 65 der Zähne 66 und 67 im Statoreisen 51 und
verkettet sich mit den Spulenschenkeln 69 der Statorwicklung im Statoreisen 51.
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Die höherwelligen magnetischen Flüsse längs der Kanten der Zähne 54
und 55 reduzieren die Breite der Zahneinschnitte, die für die Leitung des Grundflusses
zur Verfügung stehen und die durch die strichpunktierte Linie 70 dargestellt sind.
Die verringerte Breite des zur Verfügung stehenden Raumes in den Zähnen wird durch
die Dimensionierung bei 71 angedeutet.
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Die höherwelligen Flüsse magnetisieren die Zahnkantenflächen und erstrecken
sich in die Zähne bis zu einer Tiefe, die diese Flüsse sättigen können. Da jeder
zusätzliche Belag des Zahnkantenabschnittes gesättigt wird, nimmt dessen Permeabilität
ab, und die nächste zusätzliche Komponente des höherwelligen Flusses bewegt sich
fortschreitend an der Zahnteilung nach innen, indem sie einen Weg höherer Permeabilität
sucht. Die fortschreitende Sättigung eines jeden Zahnkörpers nach innen durch diese
höherwelligen Flußkomponenten reduziert die Permeabilität derartiger gesättigter
Abschnitte, und dadurch wird die Grundkomponente des Flusses nach innen gegen die
Zahnmitte zu gedrängt, wo sie einen Weg höherer Permeabilität findet.
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Die höherwelligen Magnetflüsse werden durch einen @.iagnetisierungsstrom
aufrechterhalten. Durch Reduzierung des Zahnabschnittes, der für die Grundflußhomponente
zur Verfügung steht, machen die höherwelligen Flüsse es erforderlich, eine größere
magnetisierende Kraft und einen grö!,eren Magnetisierungsstrom aufzubringen, um
den -.Magnetfluß in der Grundkonnponente aufrechtzuerhalten. Des weiteren v erursachen
die hölzerwelligen Flüsse eine Sättigung in den Zähnen bei einer geringeren Grundwellenamplitude.
wodurch sie die Leistung der Maschine begrenzen und den Leistungsfaktor herabsetzen.
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Der in Fig. 8 dargestellte Zustand stellt in bezug auf die magnetische
Wirbelung im Gebiet 60 eine Sättigung dar, bei der Magnetisier- und Hystereseverluste
auftreten. Da eine höherwellige Flußkomponente mit der Frequenz anwächst, wachsen
auch die Hysteresev erluste an. Diese Verluste müssen notwendigerweise durch einen
vergrößerten 1-Iagnetisierungsstrom ausgeglichen werden.
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In ähnlicher Weise verursachen die höherwelligen Flußkomponenten,
die mit den Eisenflächen und den Eisenkörpern der Zähne und des Eisenpaketes verkettet
sind, Wirbelstromverluste, die ebenfalls eine vergrößerte magnetisierende Energie
benötigen, so daß den Eingangswicklungen ein größerer Strom zugeführt werden muß.
Dies gilt für alle üblichen Geräte.
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Wenn derartige dynamoelektrische und elektromagnetische Vorrichtungen
als Instrumente zur Anzeige und zu Steuerzwecken Verwendung finden, verursachen
die Oberwellenflüsse auch fehlerhafte induktive Wirkungen, die Fehlmessungen ergeben.
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Gemäß der Erfindung werden die höherwelligen Flußkomponenten isoliert
und ihre schädlichen Einflüsse wesentlich begrenzt oder ganz vermieden. Um dies
zu erreichen, ist ein Trenn- oder Hilfsmagnetstromkreis für die höherwelligen Flußkomponenten
vorgesehen, um diese in einen bestimmten Pfad zu zwingen, wo sie nicht mit anderen
Teilen der Einrichtung, bei der ihr Vorhandensein schädlich wäre. zusammenwirken
können.
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Wie in Fig. 9 dargestellt, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt, sind die beiden Zähne 54 und 55 und die Spulenschenkel 57 in der Nut 56 mit
einem Isolierpapierstreifenbelag 72 versehen, wie er üblicherweise zwischen den
Zähnen und dem Eisenkörper sowie den Spulenschenkeln Verwendung findet. Gemäß der
Erfindung ist ein dünner Streifen bzw. Belag einer magnetisierbaren metallischen
Folie 75 zwischen den Spulenschenkeln 57 und dem Eisen der Zähne 54 und 55 sowie
dem Eisenpaket 50 angeordnet. Ein zusätzlicher Belag bzw. eine zusätzliche Wicklung
aus Isolierpapier 76 kann zwischen der Eisenfolie 75 und den Spulenschenkeln angeordnet
sein, so daß die Folie isolierend von den Spulenschenkeln 57 und von den Zahnkörpern
54 und 55 getrennt ist.
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Es ist vorteilhaft, die magnetisierbare Folie 75 von den Zähnen und
dem Eisenkörper zu isolieren. Die Folie kann so angeordnet sein, daß sie die Nut
auskleidet, wie in Fig.10 dargestellt; ein Belag von Isoliermaterial, z. B. Papier,
oder eine andere Isolation kann die Folie bedecken, über der die Spulenschenkel
in ihre Lage in der Nut gebracht werden können. Die Nuten, z. B. in der Fig. 9,
sind aus zeichnerischen Gründen offen mit geeigneten Rillen 78 zur Aufnahme von
Nutenverschlußkeilen ausgebildet. Derartige Nuten können von üblicher Ausführungsform
sein; insbesondere sind sie geeignet, wenn größere Kräfte auftreten. Für die kleineren
Drehgebereinrichtungen werden die Nuten vorzugsweise ähnlich den in Fig. 5 und 10
gezeigten gewählt, wobei die Nuten kleine Öffnungen aufweisen. Infolgedessen müssen
die Spulendrähte einzeln bzw. in Gruppen nacheinander in die Nut eingeführt werden,
bis alle Spulenleiter untergebracht sind. Wenn dies geschehen ist, kann die Papierisolation
76 über den Nuten gefaltet und dann die magnetisierbare Eisenfolie 75 in gleicher
Weise umgelegt werden, so daß sie die Spulenschenkel 57 umhüllt und einen engen
magnetischen Kreis in Form der Folie 75 bildet.
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In vielen dynamoelektrischen Vorrichtungen werden die Spulen zweier
verschiedener Phasenwicklungen in dieselbe Nut gelegt, wie durch die Spulen 81 und
82 in Fig. 11 dargestellt ist. In einem derartigen Fall
werden die
Spulenschenkel der einzelnen Spulen 81 und 82 durch Isolierungen 83 und 84 getrennt
eingeschlossen und dann mit den magnetisierbaren Folienwicklungen 85 und 86 umgeben.
In diesem Fall werden die Folienwicklungen 85 und 86 auf der Außenseite der beiden
Spulensätze 81 und 82 angebracht. Die Folienwicklungen 85 und 86 dienen auch zur
Reduzierung des kapazitiven Verhältnisses zwischen den Spulenschenkeln der zwei
Spulensätze und ebenfalls zum Ausgleich dieser Kapazitätswirkungen durch direkte
metallische Berührung mit dem Eisen und den Zähnen. Wo eine derartige Behandlung
der Isolierung und der Folie erforderlich ist, ist der offenen Nut mit Keil der
Vorzug zu geben.
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Das Verfahren zum Aufbringen der Folie auf einen Spulensatz ändert
sich mit der Schwierigkeit der Zuführung, die sich aus der Nutgröße und aus der
Konstruktion ergibt. Die Papier- und Folienumhüllungen können um die Spulenschenkel
gewickelt werden, wenn die Spulen in ihre Lage eingesetzt werden, wie in den Fig.
9, 10 und 11 dargestellt ist. Andererseits können die Spulenschenkel vor ihrem Einsetzen
in die Nuten bewickelt werden, wenn offene Nuten eine derartige Einführung erlauben,
was auch in Fig. 11 oder 12 möglich ist.
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Wie in Fig. 12 dargestellt, kann die Folie 75 um die gesamte Länge
der Spule herumgelegt werden, wobei nicht nur die aktiven Spulenschenkel in der
Nut umhüllt werden, sondern auch die Stirnverbindungen unterhalb und außerhalb der
Nuten.
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Das Folienmaterial besteht aus Eisen und ist leicht magnetisierbar,
es soll ein Minimum an Koerzitivkraft aufweisen. Auf diese Weise ist ein Minimum
an Energie erforderlich, um die Folie zu magnetisieren und ein festes Oberwellenverhältnis
aufrechtzuerhalten.
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Wie bereits erwähnt, können der Stator 28 in Fig. 3 und der Rotor
29 in Fig. 4 zusammenwirkende Elemente eines Resolvers sein, sowohl der Rotor als
auch der Stator haben dann zwei Koordinatenwickhingen. Wie in Fig. 13 dargestellt,
weist ein Resolver 80 einen Rotor 81 mit Koordinatenwicklungen 82 und 83 und einen
Stator mit Koordinatenwicklungen 84 und 85 auf. Jede Wicklung besteht normalerweise
aus verschiedenen Spulen, die auf dem gezahnten Eisen angeordnet und elektrisch
in geeigneter Weise von den Spulen der anderen Wicklung getrennt sind. Jede Spule
wird, wenn sie gemäß der Erfindung geschützt ist, mit einem Belag der Folie 75 aus
geeignetem Isoliermaterial umwickelt. Die Folie isoliert die Oberwellen in einer
Weise, wie sie bereits erläutert wurde, und iäßt somit zu, daß die Grundkernstruktur
einen reinen sinusförmigen magnetischen Fluß führt.
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Eine derartige Folie ist im Handel in Stärken von 0,025 bis 0,1 mm
erhältlich. Für kleinere Drehgeber oder Induktionsvorrichtungen ist eine Folienstärke
oder eine Gesamtstärke von 0,1 bis 0,25 mm geeignet. Der Folienquerschnitt soll
so groß sein, daß die Folie durch die magnetischen höherwelligen Flüsse gesättigt
wird. In einem solchen gesättigten Zustand übt die Folie nur einen geringen Effekt
auf die Permeabilität der Folienumgebung aus und beeinflußt deshalb den normalen
Verlauf der Grundflußkomponenten auf das Eisen und in den entsprechenden Pfaden
nicht.
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In einer weiteren Darstellung ist die Erfindung an einem Tachometergenerator
erläutert.
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In den Fig. 14 und 15 ist die Erfindung in Anwendung auf einen üblichen
Tachometergenerator 120 dargestellt, der ein Primäreisenpaket 121 und ein Sekundäreisenpaket
122 aufweist, wobei letzteres von dem Primäreisenpaket einen bestimmten Abstand
aufweist und dadurch einen Luftspalt 123 ausbildet, in dem eine Rotorhülse 124,
durch einen Motor 125 angetrieben, umläuft.
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Das Primäreisenpaket 121 trägt eine Primärwicklung 126 und das Sekundäreisenpaket
eine Sekundärwicklung 127. Wie in Fig. 15 angedeutet, ist die Sekundärwicklung
127 so angeordnet, daß sie elektrisch senkrecht zur Primärwicklung 126 steht. Es
ist erwünscht, daß keine elektromotorische Kraft in der Sekundärwicklung 127 aus
der Primärwicklung 126 induziert wird, wenn die Rotorhülse 124 stationär
ist. Wenn die Hülse im Luftspalt 123 umläuft, überträgt sie Energie auf induktivem
Wege von der Primärwicklung 126 auf die Sekundärwicklung 127.
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Jede der beiden Wicklungen 126 und 127 besteht aus verschiedenen Spulen
in Reihenschaltung, die auf ihren entsprechenden Eisenpaketen in der in Fig. 16
gezeigten Weise angeordnet sind. Die Fig. 16 zeigt eine Verbesserung der Eisenpakete
und Wicklungsanordnung. Die relative Richtung der Spulenwindungen ist bekannt.
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In derartigen üblichen Tachometergeneratoren, bei denen der Gedanke
der Erfindung noch keine Anwendung gefunden hat, bilden die höherwelligen Flußkomponenten
des magnetischen Kraftlinienfeldes, das durch die Primärwicklung 126, wie in Fig.
16 gezeigt, erzeugt wird, einen Sättigungszustand längs der Nutenkantenflächen der
Zähne, wie beispielsweise bei 130, auf den Blechen der Zähne 131 und längs der Nutenkernkörper,
wie bei 132, in der Nähe der Spulenschenkel 133, wie in Nut 134, aus. Um diesen
Zustand darzustellen, ist in Fig.16 ein Teil des äußeren Bleches 135 herausgebrochen
gezeichnet, um die nächsttiefere Schicht 136 sowohl in Zahn 131 des Eisens 121 als
auch in Zusammenhang mit Fig. 18 noch einmal näher dargestellt zu zeigen. Dieser
Sättigungszustand in der Nutzahnkante und in der Kante des Nuteisenkörpers wird
durch die Spulenschenkel 132 in den Nuten aufrechterhalten.
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Die Stirnverbindungen 137 der Spulen wirken in ähnlicher Weise auf
das äußere oder Abschlußblech 135. Die äußere Fläche 138 des äußeren Endbleches
135 wird magnetisch gesättigt, wie in den Fig. 16 und 18 gezeigt. Die magnetomotorische
Kraft, die durch die Stirnverbindungen 137 erzeugt wird, trägt die höherwelligen
Flußkomponenten und sättigt in ähnlicher Weise die äußere Fläche 139 des äußeren
Endbleches 141 des ausgerichteten Zahnes 142 im oberen oder Sekundäreisen 122. Der
Streufluß zwischen den beiden Eisenpaketen wird allgemein durch die Flußlinien 143
angedeutet.
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Der Inhalt und die Werte der höherwelligen Flußkomponenten ändern
sich unter Last mit der Änderung der Wellenform des Kraftlinienfeldes. Die rechteckförmige
oder Stufenwelle 145 der Fig. 19 stellt eine Flußwelle bei Leerlauf dar, während
die Rotorhülse stillsteht. Wenn diese Hülse umzulaufen beginnt und eine beträchtliche
Geschwindigkeit erreicht, wird der Generator 120 belastet, und die Wellenform 150
des Kraftlinienfeldes wechselt und nimmt Trapezform an, wie sie in Fig. 20 gezeigt
ist. Wenn die Oberwellen. zusammenwirken und diese Trapezform der F lußkurve 150
bilden, tritt ein zusätzliches Merkmal auf, das hier von Bedeutung ist, nämlich
die Bildung der Spitzen 155 am Ende der aufsteigenden Funktion 151.
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Die Spitze 155 entspricht in ihrer Wirkung im wesentlichen einem Einheitsimpuls
160 in Fig. 21.
Dieser Impuls hat eine spezielle Wirkung auf die
benachbarten Stirnverbindungen entgegengesetzter Primär- und Sekundärwieklungen.
Er ist so hochfrequent, daß die Stirnverbindungen der Primärwicklung als Strahlungsdipolantennen
wirken.
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Die Endwicklungen 137 (Stirnverbindungen) der Primärwicklung übertragen
auf diese Weise Energie in zwei unerwünschten Formen auf die Sekundär-Wicklung.
Zuerst wird eine Streuinduktion in der in Fig. 18 dargestellten Weise übertragen.
In das Antennengebiet übertragen bedeutet dies, daß der Streufluß als Nahfeldeffekt
betrachtet werden kann. Hier sind die Luftpfadabmessungen von Bedeutung und begrenzen
den Streufluß. Als zweites bewirkt der Spitzenimpuls den Weitfeldeffekt. Dann ist
der Luft-,veg oder der Raum zwischen den Stirnverbindungen benachbarter Spulen entgegengesetzter
Wicklungen nicht von Bedeutung, da die Energieimpulse abgestrahlt werden.
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Auf diese Weise wird in den üblichen Tachometergeneratoren ungewollte
Energie von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung über das Eisen durch magnetische
Wirkung übertragen, ferner durch Verluste in den Stirnverbindungen und durch Strahlung.
Derartige ungewollte Energie offenbart sich selbst in sogenannten - falsch bezeichneten
- »Nullfehlern« oder »Nullspannungen« in der Sekundärwicklung, obgleich die Rotorhülse
124 tatsächlich stillsteht und keine Spannung in der Sekundärwicklung auftreten
-sollte.
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Wenn die Rotorhülse gedreht wird, induziert sie in der Sekundärwicklung
127 eine gewünschte Spannung, die elektrisch gegenüber der Spannung an der Primärwicklung
126 um 90° phasenverschoben ist.
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Die Zwischenmodulation der höherwelligen Flußkomponenten des elektromagnetischen
Feldes von den Spulen der stationären Primärwicklung 121 erzeugt eine unerwünschte
Spannungskomponente einer um 90° phasenverschobenen Oberwelle, die auch die .tationäre
Sekundärwicklung 127 erreicht und speist. Die Energie für eine derartige unerwünschte,
um 90° phasenverschobene Komponente fließt von der Grundwelle durch eine derartige
Zwischenmodulierung ab. Auf diese `'eise wird eine ungewollte elektromotorische
Kraft, die um 90° elektrisch phasenverschoben ist, in der Sekundärwicklung 127 induziert,
die in keiner Weise der Drehung der Rotorhülse 123 entspricht, und sie tritt in
der Sekundärwicklung 127 bei allen Betriebsbedingungen auf, gleichgültig, ob die
Hülse stationär ist oder umläuft.
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Somit sind sowohl die gewünschte richtige, 90° phasenverschobene Spannung,
die durch den Läufer induziert wird, und die ungewünschte, 90° phasenverschobene
Spannung, die durch die Zwischenmodulierung der Oberwellen erzeugt wird, beide in
der Sekundärwicklung vorhanden. Die richtige, 90° phasenverschobene Spannung und
die ungewollte, 90° phasenverschobene Spannung werden algebraisch addiert und sind
schwer zu trennen, wenn sie einmal kombiniert sind.
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Gemäß der Erfindung jedoch werden die unerwünschten, 90° phasenverschobenen
Induktionseffekte daran gehindert, sich mit den richtigen, 90° phasenverschobenen
Spannungen zu kombinieren. Die unerwünschte Spannung wird von der Sekundärwicklung
127 abgehalten, so daß nur die richtige, 90° phasenverschobene Spannung in der Sekundärwicklung
127 vorhanden ist.
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Die Zwischenmodulation zwischen den Flußkomponenten der Oberwellen
und der Flußkomponente der Grundwelle wird dadurch verhindert, daß die oberwelligen
Flußkomponenten auf einen begrenzten. magnetischen Pfad in der dünnen magnetischen
Folie 170, die die Spulenschenkel umgibt, geleitet wird.
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An einem dritten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung an Hand eines
Induktionsmotors erläutert. In Fig.22 ist eine dynamoelektrische Maschine schematisch
angedeutet, die einen Käfigläufermotor 220 aufweist, auf Grund dessen die Beschreibung
der Anwendung der Erfindung vorgenommen wird.
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Der Motor 220 weist ein Statoreisenpaket 221 und ein Rotoreisenpaket
222 auf, das vom Statoreisen durch einen Luftspalt 223 getrennt ist. Das Statoreisen
221 ist von üblicher Ausführungsform mit Nuten, die eine mehrphasige Wicklung 225
aufnehmen, was in Fig. 23 durch eine dreiphasige Wicklung dargestellt ist.
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Das Statoreisen 221 ist schematisch mit Zähnen 226 und Nuten 227 angedeutet,
das Rotoreisen 222 erhält in ähnlicher Weise Zähne228 und Nuten229. Die Statornuten
227 nehmen die Leiter 231 der Phasenwicklungen 225 auf. Die Rotornuten nehmen die
Leiter 233 auf, die entweder Stäbe oder Spulenschenkel sind.
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Jede Phasenwicklung 225 besteht aus einer Anzahl von Spulen, abhängig
von der Anzahl von Zähnen und Nuten im Statorblech und von der Wicklungsverteilung.
Diese Einzelheiten sind bekannt und brauchen nicht dargestellt zu werden. Die Rotorbleche
222 sind mit Nuten versehen, um die Spulen oder einzelne Stäbe als Stromleiter aufzunehmen;
die Enden der Stäbe sind elektrisch durch Ringe verbunden, so daß ein Käfigläufer
entsteht. Diese Einzelheiten sind ebenfalls bekannt.
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Die Rotorwicklungen sind von einer magnetischen Folie gemäß der Erfindung
umgeben.
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Im folgenden sei auf einige Probleme des Käfigläufermotors Bezug genommen,
die die Vorteile, die mit der Erfindung zu erzielen sind, besser kennzeichnen.
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Wie schematisch in Fig. 24 angedeutet, soll die gewünschte Drehmoment-Geschwindigkeitskurve
239 eines Käfigläufermotors eine kontinuierliche Steigung von Anlauf bis Vollauf
aufweisen. Die höherwelligen Flußkomponenten des magnetischen Kraftlinienflusses
verursachen jedoch bedeutende Drehmomentbeeinflussungen. So kann durch Einwirkung
bestimmter höherwelliger Flußfelder ein Schleichen des Motors auftreten mit dem
Ergebnis, daß die Drehzahl-Geschwindigkeitskurve nicht fortlaufend kontinuierlich
ist, sondern Einsattelungen oder andere plötzliche Änderungen aufweist, wie durch
die Vertiefung 239a in Fig. 24 dargestellt ist. Ebenfalls können sich mechanische
Störungen und Vibrationen einstellen. Ferner induzieren die Oberwellen im Luftspalt
Oberwellen im Rotor, die dann in das Speisenetz zurückwirken und schädliche Einflüsse
auf andere Geräte ausüben.
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Auf diese Weise werden die schädlichen Effekte. die durch die Oberwellen
in allen dynamoelektrischen Maschinen erzeugt werden, eingedämmt und durch die vorliegende
Erfindung gesteuert, indem die höherwelligen Kraftlinienflüsse in einen schmalen
Pfad unmittelbar um die Spulen herum gezwungen werden, so daß die höherwelligen
Flüsse nicht in die Statorbleche und den Luftspalt eindringen können, um andere
Wicklungen zu beeinflussen oder sich mit ähnlichen höherwelligen Flüssen im Luftspalt
verbinden.