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Mehrphasiger Induktionsmotor Die Erfindung bezieht sich auf einen
mehrphasigen Induktionsmotor mit einer mit mehrphasigern Wechselstrom gespeisten
Ständerwicklung und mit einer weiteren zur Drehzahlregelung dienenden Ständerwicklung,
die aus einer einstell- und regelbaren Gleichstromquelle als Einzelwicklung erregt
wird und in einer mehrphasigen Läuferwicklung eine elektromotorische Kraft (EMK)
in einer Richtung hervorruft, welche der Richtung der in der Läuferwicklung von
der wechselstromerregten Ständerwicklung induzierten EMIK , entgegengesetzt
ist.
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Die Drehzahl eines Mehrphaseninduktionsmotors kann dadurch in Grenzen
verändert werden, daß eine EMK in die Läuferwicklungen des Motors in einer Richtung
eingebracht wird, welche der Richtung der in den Läuferwicklungen von den Ständerwicklungen
induzierten EMK entgegengesetzt ist, wodurch der Schlupf des Läufers und damit die
in dem Läufer induzierte EMK vergrößert werden, bis diese EMK die Gegen-EMK um den
erforderlichen Betrag überschreiten kann.
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Es ist bereits eine Anordnung zur Bremsung und Drehzahlregelung vermittels
Gleichstromerregung bei Asynchronmotoren sowohl ohne als auch in Verbindung mit
einem asynchronen Mehrphasenbetrieb bekannt, wobei der primäre Teil oder der primäre
und sekundäre Teil mit einer Parallelwicklung mit zwei äquipotentialen Sternpunkten
versehen ist, die bei einer Polzahl für die Wechselstromspeisung von Vier oder einem
Mehrfachen von Vier so verteilt ist, daß bei in den zwei Sternpunkten angelegtem
Gleichstrom für die Bremsung ein Strombelag entsteht, der annähernd der halben Polzahl
entspricht. Dabei können im sekundären Teil die beiden Sternpunkte durch einen Widerstand
oder unmittelbar miteinander verbunden sein. Es wurde nun gefunden, daß bei Verwendung
eines Widerstandes übermäßige Wärmeverluste auftreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Steuereinrichtungen
zu verbessern und insbesondere einen Motor zu schaffen, der bezüglich der Änderungen
des Steuersignals sehr empfindlich ist und in der Lage ist, schwere Lasten zu steuern,
d. h. ein großes Drehmoment abzugeben. Für derartige Motoren besteht ein
großer Bedarf, insbesondere bei automatisch-en Steuersystemen, bei denen Steuereinrichtungen
zur Schaffung einer Änderung der Ströme von Flüssigkeiten oder strömungsfähigen
Feststoffen in übereinstimmung mit den Befehlen eines automatischen Steuersystems
bedient werden müssen und bei denen solche Änderungen vorzugsweise durch Veränderung
der Drehzahl der Transporteinrichtungen, beispielsweise der Pumpen und Gebläse,
erzielt- werden. Hierbei ist es wesentlich, daß die gesteuerten Einrichtungen im
Betrieb sehr genau eingestellt werden und daß die Einstellung innerhalb sehr enger,
vorbestimmter Grenzen aufrechterhalten wird. Durch die vorliegende Erfindung wird
ein Motor geschaffen, der diesen Bedingungen vollauf entspricht.
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Erfindungsgemäß sind zwei mehrphasige, auf der gleichen Läuferachse
angeordnete Läuferwicklungen jeweils an einem Ende in an sich bekannter Weise in
Stern geschaltet und am anderen Ende an jeweils zwei freien Phasenwicklungsenden
vesrehiedener Läuferwicklungen über Vollweg-Gleichrichtersätze miteinander verbunden,
deren Gleichstromausgangsklemmen an ohmsche oder induktive Belastungswiderstände
angeschlossen sind. Dadurch wird ein bürstenfreier Elektromotor mit veränderlicher
Geschwindigkeit geschaffen, der ein gutes Drehmomellt aufweist und der in hohem
Maße gegen Änderungen eines Steuersignals empfindlich ist. Die Drehzahlsteuerung
wird auf elektrischem Wege, vorzugsweise durch Einstellung eines Widerstandes,
be-
wirkt und ist daher als elektrische Steuerung genauer und zuverlässiger
als eine mechanische Bewegung von Teilen des Motors. Der Motor hat einen einfachen
Aufbau, und die erforderliche Wartung ist gering, da keine Bürsten- oder Gleitringe
vorhanden
sind. Von besonderer Bedeutung ist, daß die einstellbaren
Motordrehzahlen sehr genau reproduzierbar sind.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung zeigen die Zeichnungen,
und zwar ist F i g. 1 eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Elektromotors, F i g. 2 ein Schnitt entlang der Linie
II-II der Fig. 1,
F i g. 3 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform
der Schaltung des Motors der F i g. 1 und 2, F i g. 4 ein Vektordiagramm
zur Darstellung der Spannungsbeziehungen bei dem Läufer eines Mehrphaseninduktionsmotors,
F i g. 5 das schematische Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform
der elektrischen Schaltung des Motors der F i g. 1 und 2 und F i
g. 6 das Schaltbild einer weiteren abgewandelten Schaltung des erfindungsgemäßen
Motors.
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Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Motor weist ein zylindrisches
Gehäuse 1 auf, welches mit Endplatten 2 ausgestattet ist, die durch Bolzen
3, von denen lediglich zwei gezeigt sind, an ihrem Platz gehalten werden.
Die Endplatten 2 sind mit Lagern 4 und 5 für eine Läuferwelle 6 ausgestattet,
wobei ein Ende der Welle 6 aus einer der Endplatten 2 heraus vorragt, um
die Ausgangswelle des Motors zu bilden. Die Lager 4 und 5 für die Welle
6
können Kugel- oder Rollenlager sein. Die Welle 6
trägt zwei im axialen
Abstand angeordnete Läufer 7 und 8, welche mit Ständem 9 und
10 zusammenarbeiten, die in dem Gehäuse 1 feststehend angeordnet sind.
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Der Läufer 7 weist eine Dreiphasenwechselstromläuferwicklung
11 auf, deren Phasenwicklungen auf einen lamellierten Kein 12 aufgewickelt
sind, wobei der Kein 12 auf der Welle 6 mit Hilfe von Klemmringen
13 und 14 festgehalten wird. Der Ständer 9
weist eine Dreiphasenwechselstromständerwicklung
15 auf, deren drei Phasenwicklungen auf einem lamellierten Ständerkern
16 aufgewickelt sind, welcher an der Innenwand des Gehäuses 1 befestigt
ist. Der Läufer 8 ist mit einer Dreiphasenwechselstromwicklung
17 ausgestattet, deren Phasenwicklungen auf einen lamellierten Kern
18 aufgewickelt sind, der auf der Welle 6 fest angebracht ist. Die
Bleche des Kernes 18 werden durch Klemmringe 19 und 20 an ihrem Platz
gehalten. Der Läufer 8 kann mehr Windungen aufweisen als der Läufer
7 und damit einen größeren Widerstand besitzen. Der Ständer 10
ist
mit einer einspuligen Ständerwicklung 21 ausgestattet, die auf einen lamellierten
Kern 22 aufgewickelt ist, welcher an der Innnenwand des Gehäuses 1 befestigt
ist. Die Wicklung 21 ist so angeordnet, daß sie so viele Polpaare schafft, wie erforderlich,
um den erwünschten Bereich der Drehzahlsteuerung zu erhalten, der mit dem veränderlichen
Widerstand 47 erhalten werden kann.
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An der Welle 6 ist eine ringförmige Platte 23 fest angebracht,
die sich mit der Welle 6 dreht. Die Platte 23 dient als Träger für
eine Gleichrichteranordnung, die zwölf Gleichrichter aufweist, welche in zwei Ringen
zu je sechs Gleichrichtem angeordnet sind. Die Gleichrichter sind mit den
Bezugszeichen 24 bis 35 bezeichnet.
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Die positiven Klemmen oder Anschlüsse der Gleichrichter 24,
26, 28, 30, 32 und 34 sind durch einen Leitring 36 Zusammengeschaltet,
der mit einem Arm 38 ausgestattet ist, welcher mit einem Ende eines Widerstands-elementes
37 verbunden ist. Das Widerstandselement 37 ist vorzugsweise ringförmig
und wird über die Arme 38 des Leitringes 36
an der Platte
23 festgehalten. Die negativen Klemmen der Gleichrichter 25, 27, 29, 31,
33 und 35
sind mittels eines Leiters 39 zusammengeschaltet und
an das entgegengesetzte Ende des Widerstandselernentes 37 angeschlossen.
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Die drei Läuferphasenwicklungen 17 sind an einem Ende in solcher
Weise zusammengeschaltet, daß ein Sternpunkt für die ganze Läuferwicklungsanordnung
geschaffen wird. Die entgegengesetzten Enden dieser Läuferphasenwicklungen sind
über isolierte Leiter 40, 41 und 42 an die Gleichrichter 24 und 25 bzw.
28 und 29 bzw. 32 und 33 angeschlossen. In gleicher
Weiser sind die drei Läuferphasenwicklungen 11 des Läufers 7 unter
Bildung eines weiteren Sternpunktes der gesamten Läuferwicklungsanordnung des Läufers
7 zusammengeschaltet, und die anderen Enden dieser Läuferphasenwicklungen
sind über isolierte Leiter 43, 44 und 45 mit den Gleichrichtem 26 und
27 bzw. 30 und 31 bzw. 34 und 35 verbunden.
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- In F! g. 3 ist schematisch eine Schaltung der in den
F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform des Motors dargestellt. Teile der
Schaltung nach F i g. 3,
welche Teilen entsprechen, die mit Bezug auf Fig.
1 und 2 beschrieben wurden, tragen die gleichen Bezugszeichen wie dort. Die
drei Phasenwicklungen der Dreiphasenwicklungen 11, 15 und 17
sind außerdem
mit den Indizes A, B und C bezeichnet, so daß beispielsweise
die Läuferwicklungen 11
und 17 die Phasenwicklungen UA, 11B
und 11C
bzw. 17A, 17B und 17C haben. In gleicher Weise hat die
Ständerwicklung die Phasenwicklungen 15A,
15B und 15C.
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Die Ständerwicklung 15 wird von einer Mehrphasenstromquelle
aus erregt. Die Stromquelle ist auch über Feldgleichrichter 46 an eine Klemme eines
veränderlichen Feldwiderstandes 47 angeschlossen. Der veränderliche Abgriff des
letzteren steht mit einem Ende der Ständerwicklung 21 in Verbindung, deren anderes
Ende mit dem Neutralleiter oder Nulleiter in Verbindung steht. Es ist ersichtlich,
daß die Läuferanordnung keinerlei Bürstenanne, Schleifringe od. dgl. aufweist.
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Der insoweit beschriebene Motor arbeitet folgendermaßen: An die Mehrphasenständerwicklung
15 ist eine Mehrphasenwechselstromquelle angeschlossen, und der Motor läuft
als normaler Induktionsmotor mit einer festen Drehzahl, die durch die Eigenschaften
der Wicklungen 11 und 15 und den Widerstand der in das Netzwerk eingeschalteten
Gleichrichter 24 bis 35 bestimmt ist.
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An die Einzelfeldwicklung 21 ist eine von der Mehrphasenstromversorgung
über Gleichrichter 46 abgeleitete Gleichstromquelle über den veränderlichen,Widerstand
47 angelegt. Der in dem Feld dieser Ständerwicklung 21 laufende Läufer
8 von hohem Widerstand mit seiner Mehrphasenwicklung 17 erzeugt daher
in der Wicklung 17 eine entgegengesetzt gerichtete EMK von einer Größe, die
der Stärke des Magnetflusses entspricht, welcher durch die Feldwicklung 21 und die
Drehgeschwindigkeit hervorgerufen wird. Diese EMK geht durch das
Gleichrichternetzwerk
24 bis 35 hindurch und wirkt der von der Mehrphasenläuferwicklung
11 erzeugten EMK entgegen. Dieser Vorgang ist bestrebt, den Stromfluß in
der Läuferhauptwicklung 11 zu verkleinern, wobei die Drehzahl der Läuferwelle
abnimmt, wodurch der Schlupf und die in dem Hauptläufer 7
erzeugte EMK größer
werden. Das Fallen der Drehzahl des Hauptläufers 7 hat eine Abnahme der Größe
der erzeugten EMK zur Folge. Der Motor läuft mit einer Drehzahl, bei welcher die
in der Hauptläuferwicklung 11 erzeugte EMK die in der zweiten Läuferwicklung
17 erzeugte EMK um einen Wert übersteigt, der ausreicht, den Fluß des erforderlichen
Hauptmotorstromes durch die kombinierte Impedanz beider Läuferwicklungen
11 und 17, die Gleichrichter 24 bis 35 und den Widerstand
37 zu bewirken.
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Bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der elektrischen
Schaltung des erfindungsgemäßen Motors kann ein hohes Drehmoment bei kleinen Drehzahlen
ohne Einfügung eines übermäßig großen Widerstandswertes in den Läuferkreis dadurch
erhalten werden, daß die Phase der an jeder Läuferwicklung 1lA, llB, 11C
bzw. 17A, 17B,
17C liegenden Spannung um etwa 45' vorverschoben wird.
Diese Voreilung der Phase um 45" wird dadurch erzielt, daß der in jeder Läuferphasenwicklung
induzierten Spannung ein Anteil der Spannungen hinzugefügt wird, die in den anderen
Phasenwicklungen der gleichen Läuferwicklung 11 oder 17
induziert werden.
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. Das Problem der Voreilung der Phase jeder Läuferwicklung
um etwa 451 vor der in der Wicklung ind#uzierten Spannung wird mit Bezug auf F i
g. 4 näher erläutert, welche ein Vektordiagramm der Spannungen VR1, VR2
und VR3 der Phasen 1
bzw. 2 bzw. 3 ist, die in dem Läufer eines
Dreiphaseninduktionsmotors mit Läuferwicklungen Rl, R2
und R3 induziert werden.
Dem Vektordiagramm ist zu entnehmen, daß durch das Hinzufügen von etwa 5810/0,
d. h. 1 der in der Phase 2 induzierten 2 cos 30'
Spannung mit
gegenüber der Phase 2 umgekehrter Polarität und von etwa 58% der in der Phase
3 induzierten Spannung mit der gleichen Polarität wie die Phase
3 zu der Phase 1 die genannte Voreilung erhalten werden kann. Der
resultierende Vektor YR 11,
der an die der Phase 1 anliegende
Spannung darstellt, verläuft so, daß die Rotorwicklung dem Vektor VR
1 um 45' voreilt. Die Vektoren VR 21 und VR 31 stellen
die an die Phasen 2 und 3 angelegten Spannungen dar, wenn ihnen gleiche Prozentanteile
der Spannungsvektoren der anderen Phasen der Rotorwicklung hinzugefügt wurden. Eine
zweckmäßige Methode, diese Hinzufügung von 58% der Phasen in den anderen Wicklungen
an irgendeine Wicklung zu bewirken, besteht darin, jede der Phasenwicklungen in
drei Teile zu unterteilen. Dies ist in F i g. 5 der Zeichnung gezeigt.
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Der F i g. 5 ist zu entnehmen, daß jede Phasenwicklung
11 A, 11 B, 11 C, 17 A, 17 B, 17 C der
Läuferwicklungen 11 bzw. 17 in drei getrennte Teile unterteilt ist.
Diese Teile sind wie folgt bezeichnet: # Die Läuferphasenwicklung 11A ist
in die Teile 1lAly 11A2 und 11A3 unterteilt. Die Phasenwicklung 11B
ist in die Teile 11B1, 11B2 und 11B3 unterteilt. Die Phasenwicklung
11C ist in die Teile 11C1, 11C2 und 11C3 unterteilt. Die Phasenwicklung
17A ist in die Teile 17A 1, 17A 2 und 17A3 unterteilt. Die
Phasenwicklung 17B ist in die Teile 17B1, 17B2 und 17B3 unterteilt,
und die Phasenwicklung 17C ist in drei Teile 17C1,
17C2 und
17C3 unterteilt. In jedem Fall ist die Unterteilung der Phasenwicklungen
derart, daß ein Teil den Hauptteil der Wicklung bildet und die anderen beiden Teile
je etwa 581% der Windungen des Hauptteiles aufweisen.
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Der Hauptteil jeder Läuferwicklungsphase ist mit einem kleineren Teil
einer jeden der anderen beiden Phasen der Rotorwicklung in Serie geschaltet. Die
Serienschaltungen sind so getroffen, daß einer der kleineren Windungsteile den entgegengesetzten
Wicklungssinn aufweist wie die beiden Wicklungsteile, mit denen er in Serie geschaltet
ist. Die Wahl, welcher Wicklungsteil praktisch den umgekehrten Wicklungssinn aufweist,
bestimmt die Richtung, in welcher der Rotor das maximale Drehmoment beim Stillstand
erzeugt.
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Es ist ersichtlich, daß bei der besonderen Anordnung nach F i
g. 5 diese Serienschaltungen zwischen den Phasenwicklungsteilen wie folgt
getroffen sind: im Falle der Läuferwicklung 11 11A1, 11C2 und
11B3; 11B1, 11A2 und 11C3; 11C1, 11B2 und
11A3. Im Falle der L:äuferwicklung 17 sind die Serienschaltungen
wie folgt: 17A1, 17C2 und 17B3; 17B1, 17A2 und 17C3; 17C1, 17B2
und
17A3. Es ist ersichtlich, daß die Phase des Stromes, welcher in jeder Läuferwicklung
11 fließt, in hohem Maße von der Phase der an die spezielle Wicklung angelegten
Spannung abhängt. Daraus folgt, daß die Phase des Stromflusses in jeder Läuferwicklung
gleichsinnig mit den Spannungen ebenfalls um 45' vorverschoben wird und etwa die
gleiche Phasenbeziehung zu dem in der Läuferwicklung 11 induzierten rotierenden
Magnetfluß aufweist, wie sie erhalten wird, wenn der Gesamtwiderstand in der Läuferschaltung
etwa gleich dem Blindwiderstand gemacht wird, um die Bedingungen für hohes Drehmoment
bei niedriger Drehzahl zu erzielen. Es kann also mit anderen Worten das erwünschte
große Drehmoment bei kleiner Drehzahl ohne Hinzufügen eines übermäßig großen reinen
(ohmschen) Widerstandes in dem Läuferkreis des Motors entwickelt werden. Infolgedessen
wird der ohmsche Leistungsverlust in dem Läuferkreis wesentlich herabgesetzt. Es
ist auch ersichtlich, daß eine weitere Verkleinerung des Widerstandes im Läuferkreis
zu einer Verkleinerung der Leistungsverluste in Form von in dem Läuferkreis entwickelter
Wärine führt. Bei der Schaltung nach F i g. 6 ist der Widerstand
37 durch Drosselspulen oder Induktanzen 48, 49 und 50 ersetzt.
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Die Drosselinduktivitäten 48, 49 und 50 können nicht als direkter
Ersatz für den Widerstand 37 in den Läuferkreis eingeschaltet werden, da
der Strom in diesem Teil des Läuferkreises ein Gleichstrom ist und Induktivitäten
elektrisch unwirksam wären. Unter diesen Umständen sind die Drosselspulen oder Induktanzen
48, 49 und 50 zu 'den Gleichstromklemmenpaaren jedes den Wicklungen 1lA,
17A, llB, 17B und lIC, 17C entsprechend zugehörigen Gleichrichternetzwerkes
parallel geschaltet. Jede Drosselspule oder Induktanz weist eine geteilte
Wicklung auf, deren Hälften den gleichen Wickelsinn haben, wobei die Wicklungen
auf einem gemeinsamen Weicheisenkern aufgewickelt sind. Die
Wicklungshälften
der Induktanz 48 sind mit 4SA, 48B, die der Induktanz 49 mit 49A, 49B und
die der Induktanz 50 mit 50A und 50B bezeichnet. Die Wicklungspaare
48A-48B, 49A-49B und 50A-50B sind zusammengeschaltet und auch an den gleichen Punkt
aller anderen Induktanzen angeschlossen, die zu den anderen Gleichrichternetzwerken
gehören. Da der Wickelsinn jedes Wicklungspaares 48A-48B, 49A-49B und 50A-50B
der gleiche ist, ist es ersichtlich, daß ein magnetischer Wechselfluß in dem zugehörigen
Kern von abwechselnden Halbwellenstromimpulsen erzeugt wird, die von den positiven
und negativen Klemmen des zugehörigen Gleichrichternetzwerkes kommen. Auf diese
Weise wirkt in jedem Halbzyklus dem Wechselstromfluß von jedem Gleichrichternetzwerk
die Gegen-EMK entgegen, die in der Induktanz erzeugt wird, wodurch Leistungsverluste
infolge des Widerstandes in dem Läuferkreis, in welchen die Induktanz eingeschaltet
ist, auf die Widerstandsverluste der Induktanzwicklungen und der Läuferwicklungen
begrenzt werden.
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Die Drosselspulen oder Induktanzen sind zweckmäßig starr an der Läuferanordnung
angebracht, so daß sie sich mit dem Läufer drehen, Sie können vorzugsweise auf einer
Platte montiert sein, die der Platte 23 ähnlich ist, welche als Träger für
die Gleichrichter verwendet wird.
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Falls erwünscht, können die Gleichrichter und/ oder die, Induktanzen
statt an einem Ende der Läuferwelle 6 auch zwischen den Läuferanordnungen
7 und 8 angeordnet sein.
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Als weitere Abwandlung bezüglich des Widerstandes 37 ist es
möglich, ein weiteres Vollweggleichrichternetzwerk vorzusehen, welches zwischen
die Stempunkte der Läuferwicklungen 11 und 17
eingeschaltet ist. Es
wird notwendig sein, einen Widerstand in die Verbindung zwischen jeden Stempunkt
und den zugehörigen Ausgangspunkt der Klemme einzuschalten.
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Im letzteren Fall ist je ein Gleichrichternetzwerk pro Phase und ein
weiteres Netzwerk in dem Sternpunkt vorhanden, wobei alle Gleichrichter fest an
der Läuferanordnung, d. h. an der Platte 23, angebracht sind.
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Die Drehzahl des Motors kann bis zu dem Punkt heruntergesteuert werden,
wo der Kern der Drosselwicklungen gesättigt ist.
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Die Drehzahl des Motors kann auf verschiedene Weise gesteuert werden.
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Eine zweckdienliche Methode arbeitet mittels des dargestellten veränderlichen
Widerstandes 47, der mit einem Mehrphasengleichrichter in Serie geschaltet an die
Stromversorgung für die Ständerhauptwicklung und an die Feldwicklung 21 angeschlossen
ist. Es könnten auch eine getrennte Gleichstromquelle, gittergesteuerte Gleichrichter
oder siliziumgesteuerte Gleichrichter verwendet werden.