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Einphasenwechselstrommotor, insbesondere für Betriebsströme höherer
Frequenz Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Einphasenwechselstrommotor,
insbesondere für Betriebsströme höherer Frequenz, mit mindestens einem Wechselfeldpolpaar
sowie Gleichfeldpolpaaren im Ständer und einem Läufer, in dessen Leiterstromkreisen,
die Gleichrichterventile enthalten, vom Wechselfeld induzierte pulsierende Gleichströme
fließen, die zusammen mit den von den Gleichfeldpolpaaren erzeugten Gleichfeldern
drehmomentbildend wirken.
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Die bekannten Elektromotoren lassen sich grob in zwei Gruppen, und
zwar in Drehfeldmaschinen und Kommutatormaschinen einteilen. Drehfeldmaschinen arbeiten
ohne Stromwendung und können bei einem Verzicht auf Schleifringe ohne jeglichen
galvanischen Kontakt mit dem Läufer betrieben werden. Vertreter derartiger Maschinen
sind der Induktionsmotor mit Kurzschlußläufer und der Synchronmotor mit permanentmagnetischem
Läufer. Diese Motoren zeichnen sich durch ihre Kontaktfreiheit und Robustheit aus;
sie haben jedoch ein schlechtes Anlaufverhalten und sind nur mangelhaft in ihrer
Drehzahl regelbar. Ihre Drehzahl hängt in erster Linie von der Betriebsstromfrequenz
ab.
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Kommutatormaschinen liefern ein hohes Drehmoment beim Anlauf, sind
gut drehzahlregelbar und können außerdem einphasig betrieben werden. Der Kommutator
bereitet bei diesen Maschinen, insbesondere wenn es sich um Maschinen großer Leistung
mit Wechselstromspeisung handelt, große Schwierigkeiten, zu denen die Kommutatorkurzschlußverluste,
das Bürstenfeuer und der damit verbundene Verschleiß, die Verschmutzung der Polwendestege
und die Beschränkung auf niedrige Betriebsspannung zählen.
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Es besteht das Bestreben, einen Motor zu schaffen, der sowohl die
Vorteile der Drehfeldmaschinen als auch die der Kommutatormaschinen aufweist.
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Es ist bekannt, bei einem Maschinenverstärker in die Läuferwicklung
eines fremd angetriebenen Generators Gleichrichterventile einzuschalten. Das von
einem Ständerdrehfeld in den Läufer induzierte Drehfeld wird auf diese Weise gleichgerichtet
und wirkt auf den Ständer zurück, wobei es wiederum ein Drehfeld erzeugt, das schließlich
gleichgerichtet zum Speisen eines Verbrauchers dient. Als Antriebsmotor ist eine
solche Anordnung nicht verwendbar.
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Weiterhin ist eine Unipolarmaschine bekannt, bei der der aus einer
Läuferschleife abgeführte Strom mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet wird.
Die beschriebene Anordnung führt aber nicht zu einem funktionsfähigen Motor.
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Weiterhin ist ein Wechselstrommotor mit scheibenförmigem Läufer, dessen
Wicklungen Gleichrichterventile enthalten, bekannt, wobei die Wicklungen von je
einem Wechselfeldmagnetsystem und je einem Gleichfeldmagnetsystem induziert werden.
Nachteilig bei diesem Motor ist jedoch, daß immer nur eine Hälfte der aktiven Rotorleiter
zur Drehmomentbildung beiträgt und daß außerdem keine Mittel vorgesehen sind, die
die mangels echter Kommutierung auftretende Wirbelstrombremsung der Rotorscheiben
verringern bzw. praktisch ausschließen. Außerdem ist der scheibenförmige Läufer
dieses Motors außerordentlich induktivitätsarm, was eine starke Wirbelstrombremssung
schon bei kleinen Drehzahlen erwarten läßt.
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Schließlich ist noch eine Anlaufregelung für Synchronmaschinen bekannt.
Bei dieser Regelung wird die Läuferwicklung, solange der Motor anläuft und den Synchronismus
noch nicht erreicht hat, kurzgeschlossen (asynchroner Anlauf) und danach durch Gleichrichterventile
gespeist (synchroner Lauf). Eine Drehzahlregelung ist mit der bekannten Konstruktion
aber nicht möglich.
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Die angestrebte Kombination der Vorteile der Drehfeldmaschine und
der Kommutatormaschine ist bei einem Einphasenwechselstrommotor, insbesondere für
Betriebsströme höherer Frequenz, mit mindestens einem Wechselfeldpolpaar sowie Gleichfeldpolpaaren
im Ständer und einem Läufer, in dessen Leiterstromkreisen, die Gleichrichterventile
enthalten, vom Wechselfeld induzierte pulsierende Gleichströme fließen, die zusammen
mit den Gleichfeldern der Gleichfeldpolpaare drehmomentbildend wirken, dadurch erreicht,
daß gemäß der Erfindung zwischen zwei benachbarten Wechselfeldpolen jeweils zwei
Gleichfeldpole wechselnder Polarität angeordnet sind, daß die zwei Gleichfeldpole
wiederum jeweils einen Leerpol einschließen, der einen magnetischen Rückschluß mit
dem Läufer aufweist, und daß eine wenigstens der Polzahl entsprechende Anzahl von
über den
Läufer verteilten Leiterstromkreise mit einer Spulenweite
von etwa zwei Polbreiten vorgesehen sind.
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Dieser von störungsanfälligen Stromwendestegen und -schleifringen
freie Motor hat ein hohes Anfahrmoment und ist gut drehzahlregelbar. Das Drehmoment
und Drehzahlverhalten des Motors ist ähnlich dem der Gleichstromnebenschlußmotoren;
das maximale Drehmoment wird beim Anlauf erzielt. Da es sich um eine Einphasenwechselstrommaschine
handelt, deren Drehzahl sowohl von der Betriebsspannung wie von der Ständerfeldstärke,
nicht aber von der Frequenz abhängt, ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten bei allen
Arten von geregelten und ungeregelten Antrieben, die unter Last anlaufen müssen.
Der kontaktlose Aufbau bedeutet Anspruchslosigkeit in der Wartung, geringen Verschleiß
sowie Rundfunkstörfreiheit.
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Der Ständer des Motors nach der Erfindung kann gegenüber dem Läufer
vollständig abgedichtet, gegebenenfalls gekapselt und mit Öl gefüllt sein. Es gibt
außer dem Läufer selbst keine beweglichen Teile, sondern nur feststehende Leitungsdurchführungen
wie bei Transformatoren, so daß es möglich ist, den Motor unmittelbar wenigstens
an Mittelspannungsnetzen zu betreiben. Eine Anfahrregelung kann mit Abgriffen an
den Wechselfeldwicklungen vorgenommen werden. Dies ist besonders wichtig im Hinblick
auf wechselstromgetriebene elektrische Bahnen, da die dort übliche Transformierung
der Fahrdrahtspannung herunter bis auf die Betriebsspannung von Kommutatormaschinen
entfallen kann.
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Der Motor eignet sich auch als Hauptschluß- oder Compoundmotor, wenn
für die Einhaltung der richtigen Phasenlage zwischen den Ständer- und den Läuferfeldern
gesorgt ist.
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Das Anwendungsgebiet des Motors nach der Erfindung liegt jedoch vornehmlich
dort, wo Betriebsströme höherer Frequenz bereitstehen. In einem solchen Fall werden
der Ständer und/oder der Läufer vorzugsweise aus Ferrit bestehen.
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Die einzelnen Leiterstromkreise des Motors werden nicht ständig, sondern
intermittierend gespeist. Diese intermittierende Speisung wirkt sich aber nicht
störend aus, da eine ausreichende Zahl von Leiterstromkreisen vorgesehen ist und
ständig wenigstens von einem Leiterstromkreis dem Läufer ein Antriebsmoment verliehen
wird.
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Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung dargestellten Anführungsbeispiels
näher erläutert.
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F i g. 1 veranschaulicht das Prinzip eines bekannten Gleichstromnebenschlußmotors;
F i g. 2 zeigt einen solchen ebenfalls bekannten Motor mit induktiver Läuferspeisung;
F i g. 3 zeigt einen Motor nach der Erfindung; F i g. 4 bis 6 veranschaulichen den
Feldverlauf ; beim Motor nach der Erfindung; F i g. 7 bis 11 zeigen die Witkungsweise
des Motors nach der Erfindung bei langsamer Läuferdrehung; -F i g. 12 bis 15 veranschaulichen
die Wirkungsweise des Motors bei schneller Läuferdrehung; i F i g. 16 und 17 zeigen
eine konstruktive Ausgestaltung des Motors.
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Bei dem in F i g. 1 skizzierten Prinzip eines Gleichstromnebenschlußmotors
befindet sich in dem zwischen einem Nordpol N und Südpol S ausgespannten t Magnetfeld
eine Leiterschleife 1. Auf die Leiter 3 und 5 dieser Schleife wirken, wenn in der
Leiterschleife von außen her ein Strom eingespeist wird, mit den Pfeilen 7 angedeutete
Kräfte, die die Leiterschleife und damit den die Schleife enthaltenden Läufer in
Bewegung versetzen.
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Führt man den durch die Schleife 1 fließenden Strom über einen Kommutator
stets so zu, daß der Strom in dem einen Leiter 3, der sich gerade vor dem Nordpol
N befindet, stets in die Zeichenebene hineingerichtet ist und der Strom in dem anderen
Leiter 5, der sich zur gleichen Zeit vor dem Südpol S befindet, stets aus der Zeichenebene
herausffießt, dann bleibt das der Schleife 1 verliehene Drehmoment stets gleichgerichtet.
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Schließt man die Stromzufuhr mittels .eines Kommutators aus und legt
man die Leiterschleife statt dessen an Schleifringe an, so erhält man beispielsweise
ein links drehendes Moment, solange der Leiter 3 gegenüber dem N-Pol und der Leiter
5 gegenüber dem S-Pol liegt; das Moment kehrt sich jedoch sofort um, sobald die
Leiter die Lücken zwischen den Polen durchlaufen haben und sich der Leiter 3 gegenüber
dem S-Pol und der Leiter 5 gegenüber dem N-Pol befinden. Mit diesem ständig seine
Richtung ändernden Moment läßt sich aber keine kontinuierliche Drehung herbeiführen.
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Ein Ausweg eröffnet sich, wenn man die Läuferspeisung in dem Augenblick
unterbricht, in dem sich das Moment umkehren will. Angenommen sei dabei eine Ausgangslage
der Schleife nach F i g. 1. Infolge der auf die Schleife 1 wirkenden Drehkräfte
7 wird der Läufer anfangen, sich entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen. Sobald der
Leiter 3 sich dann in der Pollücke befindet und noch nicht vor den S-Pol gelangt
ist, vor dem er einer rückdrehenden Kraft ausgesetzt ist, wird der Läuferstrom abgeschaltet.
Wegen der in ihm gespeicherten kinetischen Energie dreht sich der Läufer dann ohne
antreibendes Moment weiter, bis der Leiter 3 auch die zweite Pollücke hinter dem
S-Pol durchquert hat. In diesem Augenblick wird der Strom wieder eingeschaltet;
damit erhält die Leiterschleife ein beschleunigendes Moment in der ursprünglichen
Richtung. Dieses Ein- und Ausschalten kann beispielsweise durch Schleifringe erfolgen,
die nur längs des halben Umfanges leitend sind.
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Von diesem Prinzip der intermittierenden Speisung wird bei dem Motor
nach der Erfindung ausgegangen, wobei allerdings auch auf Schleifringe verzichtet
ist. Der Verzicht auf Schleifringe macht es erforderlich, von der galvanischen Läuferspeisung
zur induktiven Läuferspeisung überzugehen. Im Ständer sind zu diesem Zweck außer
dem N- und dem S-Pol noch Wechselfeldpole W l, W 2 diametral einander gegenüber
angeordnet, zwischen denen sich ein Wechselfeld ausspannt. Dieses Wechselfeld induziert
in der zunächst als kurzgeschlossen angenommenen Leiterschleife 1 eine Wechselspannung.
In dieser Form ist die Anordnung aber als Motor noch unbrauchbar, da der Strom in
der Leiterschleife seine Richtung periodisch ändert und damit auch die mit 7 angedeutete
Drehkraft ständig ihre Richtung ändert. Die Schleife wird mithin vibrieren.
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Durch das Einfügen eines Gleichrichterventils 7 in die kurzgeschlossene
Leiterschleife (F i g. 2) ist die Stromrichtung vorgeschrieben. Aus dem die Leiterschleife
1 durchfließenden Wechselstrom wird auf diese Weise nämlich ein pulsierender Gleichstrom;
entsprechend treten pulsierende Kräfte 7 auf, die bei der zuvor beschriebenen Polung
der Ströme mittels
des Gleichrichters dem Läufer ein einheitliches
Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn verleihen. Dieser Anordnung nach F i g. 2,
die, abgesehen von den pulsierenden Strömen, Kräften und Drehmomenten, nach dem
gleichen Prinzip arbeitet wie die Anordnung nach F i g. 1, fehlt jedoch eine geeignete
Ein- und Ausschaltung des Läuferstromes, je nachdem, ob die Läuferleiter sich gerade
vor den Polen befinden, in denen sie stromlos oder stromdurchflossen sein sollen.
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Dieses Ein- und Ausschalten wird bei der Motorkonstruktion nach F
i g. 3 durch eine variable, von der jeweiligen Lage einer Schleife zu den Wechselfeldpolen
abhängenden Kupplung zwischen der Schleife 1 und dem Wechselfeld erreicht.
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Bei dem in F i g. 3 dargestellten Motor nach der Erfindung ist der
Läuferumfang in acht gleiche Teillängen zu ,.7/4 aufgeteilt. Jeder dieser Teillängen
ist ein Pol zugeordnet. Zu diesen Polen zählen die zwei Wechselfeldpole
W 1, W 2, vier Gleichfeldpole N 1,
S 1, N 2, S 2 und zwei Leerpole
L 1, L 2, deren Wirkungsweise später noch erläutert wird. Auf dem Läufer
sind mindestens acht gesehnte Wicklungen angebracht, die über je ein Gleichrichterventil,
vorzugsweise eine Diode, kurzgeschlossen sind. Die Wicklungsbreite der einzelnen
Wicklungen ist dabei gleich zwei äußeren Polbreiten.
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Wenn der obere Wechselfeldpol W 1 ein N-Pol und der untere Wechselfeldpol
W 2 ein S-Pol ist, dann ergibt sich die aus F i g. 4 ersichtliche Feldverteilung
zwischen dem Ständer und dem Läufer. Für die Zeit, für die zwischen den Wechselfeldpolen
W1, W 2 kein Wechselfeld liegt, ergibt sich eine Feldverteilung nach F i g. 5. Ist
der Wechselfeldpol W 1 schließlich ein S-Pol und der Wechselfeldpol W 2 ein N-Pol,
dann entspricht die Feldverteilung der Darstellung nach F i g. 6.
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Wird angenommen, daß sich im Läufer zunächst nur eine Leiterschleife
1 befindet, dann ergeben sich bei der weiteren Annahme, daß der Läufer sich nur
sehr langsam dreht, die in den F i g. 7 bis 11 angegebenen motorischen Effekte.
In F i g. 7 ist die Leiterschleife 1 voll mit dem magnetischen Wechselfiuß durch
die Pole W l, W 2 verkettet. Es fließt deshalb in der Diodendurchlaßrichtung
der maximale Kurzschlußstrom. Da sich nach F i g. 7 der Läuferleiter 3 vor dem Pol
N1 und der Läuferleiter 5 vor dem Pol S2 befinden, wirken auf die Leiterschleife
die mit den Pfeilen 7 angegebenen Kräfte, die den Läufer in Bewegung setzen.
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Nach einer aus der aus F i g. 8 zu erkennenden Drehung der Leiterschleife
um 45° haben sich die Läuferleiter 3 und 5 aus den Gleichfeldpolbereichen herausgedreht;
auf die Läuferleiter wirken deshalb keine antreibenden Kräfte mehr. Der Läufer dreht
sich jedoch weiter, da inzwischen andere, der Einfachheit halber in den F i g. 7
bis 11 nicht dargestellte, weitere Läuferleiter anderer Leiterschleifen in die für
sie wirksamen Polbereiche hineingedreht worden sind und nunmehr ein antreibendes
Moment erfahren.
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Die Verkettung der Leiterschleife 1 mit dem Wechselfeld nimmt mit
weiterer Drehung des Läufers um 45° allmählich bis auf Null ab (F i g. 9), so daß
beim Einlaufen der Leiter 3 und 5 in die für sie verbotene Zone, in der sie ein
entgegengesetztes Moment erfahren würden, in den Leitern kein Strom fließt und auf
die Leiter mithin auch keine zurücktreibende Kraft einwirken kann. Nach dem Durchlaufen
der verbotenen Zone (F i g. 10) nimmt die Verkettung der Leiterschleife 1 mit dem
Wechselfeld wieder zu, so daß bei dem Eintritt in die zweite Arbeitsphase, wobei
der Leiter 3 vor dem Pol N2 und der Leiter 5 vor dem Pol S 1 liegt, die Leiterschleife
wieder das volle Drehmoment erfährt (F i g. 11).
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Bei der schnellen Drehung des Läufers treten zu den oben geschilderten
motorischen Effekten noch die generatorischen Effekte. Von den Gleichfeldpolen N1
und S2 wird in den Läuferleitern 3 und. 5 nämlich zusätzlich noch eine Schnittspannung
induziert, die in Diodensperrichtung gepolt ist. Dementsprechend wird in der Diode
nur so lange ein Strom fließen, wie die von den Wechselfeldpolen W l, W 2 aus in
der Leiterschleife induzierte Wechselspannung größer als die Schnittspannung bleibt.
Auf diese Weise wird sich, ähnlich wie bei einem Gleichstromnebenschlußmotor, eine
Leerlaufdrehzahl einstellen, bei der die Schnittspannung (Gegenspannung) nahezu
gleich der Wechselspannung ist und bei der nur ein geringer Wechselspannungsüberschuß
vorhanden ist, der die Verluste im unbelasteten Motor deckt. Hat sich die Leiterschleife
aus der in F i g. 8 zu erkennenden Lage herausgedreht, dann kann in den Leitern
3 und 5 keine Gegenspannung mehr induziert werden. Die Verkettung mit den Wechselfeldpolen
W l, W 2 nimmt zwar ebenfalls ab; sie ist aber noch vorhanden und führt zu einem
Ansteigen der Streuinduktivität der Leiterschleife 1. Der bis zu der Leiterstellung
nach F i g. 9 noch durch die Leiterschleife fließende pulsierende Gleichstrom baut
damit ein magnetisches Feld auf und vermeidet das Entstehen von Wärmeverlusten.
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Gelangen die Läuferleiter in die aus F i g. 9 zu erkennende, für sie
verbotene Zone, dann wird in ihnen von den Gleichfeldpolen N1 und S1 erneut eine
Schnittspannung induziert, die diesmal jedoch in Diodendurchlaßrichtung gepolt ist.
Der hierbei entstehende Ohmsche Strom würde Wärmeverluste verursachen, wenn nicht
dafür gesorgt ist, daß die Wicklung weiterhin induktiv bleibt und ein eigenes Magnetfeld
aufbauen kann. Dieser Magnetfeldaufbau wird ermöglicht durch die Anbringung der
Leerpole L l, L 2 zwischen den Gleichfeldpolen (F i g. 12). Über diese Leerpole
L 1, L 2 kann sich der Streufluß 11 schließen. In F i g. 13 ist eine dafür geeignete
Joch-Läufer-Konstruktion dargestellt, bei der das Jocheisen 12 bis in die unmittelbare
Nähe des Läufereisens geführt ist.
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Alle Wicklungen, die zur gleichen Zeit außerhalb ihrer Arbeitsphasen
sind, erzeugen Flüsse 11, die in das Läuferinnere gerichtet sind. Diese Flüsse würden
sich gegenseitig aufheben, wenn sie nicht einzeln über die am Läufereisen liegenden
Schenkel 13 der Leerpole L 1, L 2 mit dem Läufereisen magnetisch geschlossen
wären. Der sich aus der Schutzmaßnahme gegenüber den Wärmeverlusten ergebende Motoraufbau
hat den zusätzlichen Vorteil, daß die außerhalb der Arbeitsphasen in den Leiterschleifen
erzeugte Energie als magnetische Energie gespeichert und beim Wiedereintritt in
die Arbeitsphasen zum Antrieb zur Verfügung steht.
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Die F i g. 14 und 15 zeigen weitere Leiterstellungen bei fortdauernder
Läuferdrehung, aus denen deutlich zu erkennen ist, wie der Aufbau des Streuflusses
11 über den Leerpol L 1 ansteigt, seinen Höhepunkt durchläuft und allmählich wieder
abfällt.
Die F i g. 16 und 17 zeigen schließlich eine Ausführungsform
des Motors nach der Erfindung. Der Ständer 15 des Motors ist dabei mit sechs Polen,
und zwar zwei Wechselfeldpolen W l, W 2 und vier Gleichfeldpolen NI,
S1 und N2; S2 versehen. Während auf die Wechselfeldpole W 1, W 2 Wechselstromwicklungen
17 aufgewickelt sind, sind die Gleichfeldpole mit Gleichstromwicklungen 19 versehen.
Die Wicklungen 19 können jedoch auch durch Permanentmagnete ersetzt werden, die
in die Pole eingebaut sind. Außerdem enthält der Ständer 15 noch die Leerpole L1
und L2, die über die Schenkel 13 an der Unterseite des Motors an die Läuferachse
herangeführt sind. In die Nuten 21 des Läufers sind die gesehnten Läuferwicklungen
1 eingelegt. Während durch Ausnehmungen in dem vorzugsweise aus Ferrit bestehenden
Läufer 23 auf der Unterseite des Läufers der Wickelkopf 25 in den Läufer 21 hineinverlegt
ist, so daß die Schenkel 13 möglichst nahe an die untere Läuferstirnfläche herankommen,
befindet sich der obere Wickelkopf 27 außerhalb des Läufers 23. An diesem Wickelkopf
27 sind auch die Dioden 9 angeordnet, die in die einzelnen Wicklungen eingeschaltet
sind. Der Motor nach den F i g. 16 und 17 ist mit acht Dioden und mithin auch mit
acht in sich geschlossenen Wicklungen versehen.
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Das Prinzip des Motors ist vereinfacht in einem elektromechanischen
Wandler zu sehen, dem elektrische Energie auf der Eingangsseite zugeführt wird und
der auf der Ausgangsseite mechanische Energie abgibt. Die von der elektrischen Energie
in Umlauf gesetzte Welle des Motors wirkt dabei auf die Eingangsseite zurück und
steuert den Motor wie bei einer Kommutatormaschine, jedoch ohne tatsächlich einen
mechanischen Kommutator aufzuweisen.