DE1763053A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen von kurzer Dauer und sehr hoher Spitzenleistung mit einer Entladestrecke als Last - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen von kurzer Dauer und sehr hoher Spitzenleistung mit einer Entladestrecke als Last

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DE1763053A1 DE19681763053 DE1763053A DE1763053A1 DE 1763053 A1 DE1763053 A1 DE 1763053A1 DE 19681763053 DE19681763053 DE 19681763053 DE 1763053 A DE1763053 A DE 1763053A DE 1763053 A1 DE1763053 A1 DE 1763053A1
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Description

. H. LEINWEBER dipl-inc. H. ZIMMERMANN
Pottsdwdc-KoniQ: Sank-Konto: Τ·Ι«<οη T*l.-Adr.
München 22MS DrMdMf Bank AG. NHfaKfcm (Mil) MWW Ui*pat Mttndl·»
MOndMM 2, Mariwiplatz, Klo.-Nr. «7» I MOiidMn 2, Rosental 7, 2
(Kuttermann-Pattage)
Lw/We/Wy/G
COMPAGNIE GENERALE D'ELECTBICITE, Paris / Frankreich
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen von kurzer Dauer und sehr hoher Spitzenleistung mit einer Entladestrecke λ
als Last
Die Erfindung beziht sich auf die Vorrichtungen zum Erzeugen von elektrischen Impulsen von kurzer Dauer und sehr großer Spitzenleistung mit einer Entladestrecke als Last.
Diese Vorrichtungen werden vor allem zum Speisen der Elektronenblitze verwendet, die zum Pumpen von Lasern dienen.
Es ist bekannt, die Laser-Elektroiienblitze mittels Kondensatorenbatterien zu speisen, die sich im. Blitz schlagartig entladen. Diese mit Kondensatoren bestückten Vorrichtungen haben mehrere Nachteile.
- 2 -ED
109827/0387
Insbesondere ist es bei dem gegenwärtigen Stand der Technik nicht möglich, eine Frequenz von mehr als 2 Entladungen pro Sekunde zu erhalten, weil es ziemlich lange dauert, bis die Kondensatoren wiederaufgeladen sind.
Bekanntlich ist die Leistung eines auf Relaxation arbeitenden Lasers bei Impulsende ziemlich gering· Die Bit Kondensatoren arbeitenden Batterien liefern jedoch abnehmende Impulse, d.h. der abgegebene Strom ist bei Ende des Impulses schwächer.
Durch diese Charakteristik der von den Kondensatoren gelieferten Impulse wird die Leistung des Lasers bei Ende des Impulses noch weiter vermindert.
Die mit Kondensatoren arbeitenden Entladevorrichtungen
haben weiterhin den wesentlichen Nachteil, daß sie für hohe
j Spitzenleistungen notwendigerweise zu sperrig und au schwer werden.
Aus dem französischen Patent 806 555 und dessen Zusatzpatent 50 835. sowie den britischen Patenten 432 041 und 530 450 sind Vorrichtungen mit einem Hochfrequenzwandler bekannt, die außerordentlich schnell aufeinanderfolgende und kurze Energieimpulse liefern, die ζύώ Schweißen verwendet werden.
1098a?703
Die mit diesen Vorrichtungen erzeugten Impulse sind jedoch nicht kurz genug und weisen auch keine ausreichende Spitzenleistung auf, um damit «inen Laser erregen zu können. Außerdem haben die von ihnen erzeugten Impulse «Ine unbestimmte Form,was zwar für dae Schweißen keine Bolle spielt, .für die Laser-Technik jedoch unerläßlich ist.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erzeugen von I elektrischen Impulsen von kurzer Dauer und sehr hoher Spitzenleistung mit eintr Entladestrecke als Last, mit der in hoher Frequenz Impulse erhalten werden können, deren Energiedichte im Verlauf des Impulses konstant bleibt, und die im Vergleich zu einer Kondensatoren bestückten Vorrichtung sehr Tiel weniger sperrig und auch leichter ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch einen Hoohfrequenz-Wechselstromgenerator aus mit einer großen tragen Masse, oder der mit einem Trägheitsschwungrad gekoppelt ist, eine Gleiohrichterbrücke, die mit der Ausgangsklemme des Wechselstromgenerators verbunden ist und auf die Last und einen steuerbaren, mit der Lest parallelgeschalteten Gleichrichter arbeitet, dessen Kathode mit dem negativen Pol der Gleichrichterbrücke verbunden ist.
ORIGINAL IHSPECTED _ 4 _ 109827/0387
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung arbeitet der
.anWechsels troBgenera tor mit Compounderregung, wodurch ein/steigender Impuls erzielbar ist, d.h. ein Impuls, dessen Momentan-Energiedichte bei Impulsende höher ist als bei Impulsbeginn.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung arbeitet der Wechstromgenerator mit Selbsterregung.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Wechstromgenerator durch die Entladung eines Kondensators in die Induktionswicklung gezündet wird.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt und zwar zeigen
Fig. 1 schematisch, eine Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2, 3 und 4 Darstellungen der Betriebsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und
Fig. 5 schematisch,eine Schaltung einer abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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INSPECTED
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, deren Wechselstromgenerator 1 von einem Antriebsmotor 14 angetrieben ist und dessen Statorwicklungen eine Gleichrichterbrücke 2 speisen. Eine aus einem Elektronenblitz 3 bestehende Entladestrecke als Last ist mit den Ausgangsklemmen der Gleichrichterbrücke 2 verbunden. Ein Gleichrichterelement 4, dessen Leitfähigkeitszustand steuerbar ist, ist mit dem Elektronenblitz 3 parallelgeschaltet und seine Anode ist mit dem positiven Pol der Gleichrichterbrücke verbunden. Dieses Gleichrichterelement kann beispielsweise ein Thyratron oder ein Ignitron sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung arbeitet der Wechselstromgenerator mit Selbsterregung. Seine Erregerwicklung 5 ist beispielsweise - wie aus der Zeichnung ersichtlich - von der Gleichrichterbrücke 2 gespeist oder von einer Hilfsgleichrichterbrücke, die auf die Wicklungen des Wechi selstromgenerators geschaltet ist.
Der ErregerstroB ist mittels eines veränderlichen Widerstands 6 regulierbar, der in Reihe mit der Erregerwicklung 5 geschaltet ist. Falls die Erregerspannung von einer Hilfsgleichrichterbrücke geliefert wird, wird die Einstellung durch einen Autotransformator bewirkt
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ORIGINAL INSPECTED
ί Mit der Erregerwicklung 5 ist ein erster Stromkreis parallelgeschaltet, der aus einem Kondensator 7 und einem mit ihm in Reihe geschalteten Gleichrichterelement 8, z.B. einem Thyratron, besteht, dessen Kathode mit dem positiven Pol der Erregerwicklung 5 verbunden ist.
Sin zweiter Stromkreis besteht aus einem Kondensator 9, einem Unterbrecher 11 und einem Gleichriohtertlement 12, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Kathode des Gleichrichterelements 12 ist mit dem positiven Pol der Erregerwicklung 5 verbunden. Der zweite Stromkreis ist ebenfalls mit der Erregerwicklung 5 parallelgeschaltet. Fig· 2, 3 und 4 veranschaulichen die Betriebsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung anhand schematischer Darstellungen. In diesen Figuren sind die an den Ausgangsklemmen der Gleichriehtarbrücke 2 liegende Spannung U, der Erregerstrom 1 des Wechselstromgenerators bzw. der den Elektromobilts 3 durchfließende sjtrom I in Abhängigkeit
'■.' j
von der Zeit t dargestellt.
Die Zündung det Wechselstromgenerator wird durch
fien des Unter)rechers 11 ium Zeitpunkt
Obifwlilct· Dtdurch gibt
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-•7 -
INSPECTED
der vorher von einer äußeren Stromquelle geladene Kondensator 9 seine Ladung an die Irregerwicklung 5 ab. Die Spannung U und der Erregerstrom i nehmen exponentiell bis zu dem Zeitpunkt zu, in dem der Erregerstrom i den Hegelwert erreicht, der zum Erhalt der erforderlichen Zündspannung an den Klemmen des Elektronenblitze* 3 nötig ist. In diesem Augenblick zündet der
0 Elektronenblitz und die Spannung/ändert sich dann τοπ ihrem Leerlaufwert auf ihren Lastwert. Der Erregerstrom i behält dabei einen konstanten Wert.
Zum Zeitpunkt I1 wird das Gleichrichterelement 4 gezündet» Dadurch wird der Elektronenblitz 5 kurzgeschlossen und die Stromstärke I fällt sehr schnell ab.
Die an den Klemmen der Gleichrichterbrücke 2 liegende Spannung sowie der Krregerstrom i fallen praktisch auf den Null wert ab.
punkt Zu diesem Zeit/wird das Gleichrichterelement 0 leitend
und dadurch gibt die Erregerwicklung 5 Strom in den Kondensator 7 ab. Aufgrund dieeee Kondensators 7 nimmt der Strom i in einer
gedämpften Sinuskurve ab und verschwindet zum Zeitpunkt tp seine· ersten Hull-Durchgangs aufgrund des Gleichrichterelements
ORIGINAL INSPECTED
109827/0387 -8-
8. Durch diese Vorkehrung wird die Erregung des Wechselstromgenerators sehr schnell beendet und es können vor allem die Induktionsverluste vermindert werden. Zum Zeitpunkt t^ kann der Wechselstromgenerator den nächsten Zyklus beginnen. Der Kondensator 7 kann mit Hilfe eines Widerstands 13 entladen werden.
Es kann auch ein einziger Kondensator sowohl zum Zünden als auch zur Beendigung der Erregung des Generators verwendet werden. Dafür fällt dann der Kondensator 9 fort und die aus dem Unterbrecher 11 und dem Gleichrichter 12 bestehenden Einheit ist mit dem Gleichrichterelement 8 parallelgeschaltet.
Der Wechselstromgenerator arbeitet im Impulsbetrieb und soll Impulse aussenden, deren Spitzenleistung im Fall einer Verwendung zum Pumpen von Lasern sehr hoch ist. Die Impulse sollen in ihrer k Form möglicht einem Rechteckimpuls nahekommen (Fig. 4); die Impulsfrequenz kann sehr hoch sein. Folglich wird zweckmäßigerweise nach Maßgabe des jeweiligen Verwendungszwecks ein Wechselstromgenerator mit besonderen Eigenschaften gewählt.
Dieser Wechselstromgenerator muß eine sehr große träge ■ Masse haben, damit er von einem Motor angetrieben werden kann, dessen Leistung der durchschnittlichen Leistung der Impulse, und nicht deren Spitzenleistung, entspricht. Außerdem muß seine Zeitkonstante so klein sein, daß man auch bei kurzer Impulsdauer Becht-
, 109827/0307
badoriqina1- -y-
eckimpulse erhält. Für hohe Spitzenleistungen ist es auch wichtig, daß der Wechselstromgenerator sehr geringe Magnetverluste, eine sehr geringe Induzierreaktion und eine sehr geringe Reaktanz hat.
Nachstehend ist beispielweise eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselstromgenerators beschrieben. Dieser Generator ist derart ausgelegt, daß er in einer Tausendstelsekunde Impulse von 3 600 Joule mit einer Höchstfrequenz von 7 Impulsen/sek. { oder in 40 Tausendstelsekunden Impulse von 25 000 Jaule mit einer Frequenz von 1 Impuls/sek. liefert. In beiden Fällen beträgt die durchschnittliche Leistung ungefähr 25 kW. Diese Leistung wird also für den Antriebsmotor gewählt, der - dem jeweiligen Fall entsprechend - eine Wärmekraftmaschine oder ein Elektromotor sein kann.
Die höchste Spitzenleistung wird im ersten Fall erhalten und beträgt 3 600 kW. Der Generator wurde auf diese Leistung ausge- ' legt.
Die Drehzahl soll zwar so hoch wie möglich sein, muß jedoch ' auf die Zentrifugalkräfte abgestimmt sein. Außerdem muß bei Wahl einer sehr hohen Drehzahl für den Wechselstromgenerator eine zwischen den Wechselstromgenerator und den Antriebsmotor eingeschaltete, mechanische Übersetzung ins Schnelle vorhanden sein.
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ORIGINAL INSPECTED
Dies würde jedoch die Gestehungskosten erhöhen und die durch den leichteren Motor erhaltene Gewichtsverminderung aufheben. In Anbetracht dieser Überlegungen wurde eine Generator-Drehzahl von 3 000 U/min, gewählt.
Durch die Wahl einer großen Anzahl Pole kann der Generator noch leichter gestaltet werden. Darüberhinaus können dadurch die " Zeitkonstanten vermindert werden und die Induktionsreaktions-Ampere-Windungen sind dann ungefähr gleich den Magnetisierungs-Ampere-Windungen, so daß die Induktionsreaktion vermindert wird. Im gewählten Ausführungsbeispiel wurden 48 Pole verwendet, es lag also eine Frequenz von 1 200 Hz. vor.
Um die Induktionsverluste so weitgehend wie möglich zu vermindern, wurde die Größe der Polmassen auf den kleinsten mit der Ausschaltung der Verluste zu vereinbarenden Wert verringert. Das Polrad war folglich als ringförmiger Kranz mit geringfügig vorspringenden Polen ausgebildet. Die Höhe der Polkerne betrug 6 on und die Höhe der Polstücke 2,5 mm bei einem Induktionsdurchmesser von 600 mm.
Die Tiefe der Stator-Nuten war ebenfalls gering und betrug
13 mm. j ■!
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.Außerdem ist es für eine optimale Leistung vorteilhaft, wenn die innere Reaktanz des Generators ungefähr dem auf die Phase rückgeführten Widerstand des Elektronenblitzes entspricht. Mit anderen Worten, wenn R der Widerstand des Elektronenblitzes ist, soll die innere Reaktanz" X als absoluter Wert bei ca. O,55R liegen. Weil in beiden oben beschriebenen Fällen der Widerstand des Elektronenblitzes 4 bzw. 7,2_n. beträgt, erhielt der Generator eine Reaktanz von 2,75-A., was einem auf die Phase rückgeführten Widerstand des Elektronenblitzes von 5-TV- entspricht.
Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann ein Impuls konstanter Energiedichte erhalten werden, d.h. der Impuls hat eine Rechteckwellenform (Fig. 4). Die Leistung eines auf Relaxation arbeitenden Lasers ist also verbessert. Eine weitere Verbesserung ist durch Verwendung eines Wechselstromgenerators mit Kompound-Erregung möglich.
Dadurch ist ein Impuls in Form eines rechtwinkligen Trapezes erhalten, dessen große Basis dem Ende des Impulses entspricht. In diesem Fall ist die Erregungsenergie bei Impulsende höher und äie Leistung des Lasers weitgehend verbessert.
Bei Verwendung eines Selbsterregungs-Wechselstromgenerators ist eine schnelle Beendigung der Erregung auch im Fall einer
Kompound-Erregung möglich, weil der Kompound-Faktor sehr klein
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_ 19 _
I / Ö 6 U
Die "Wiederaufladung" der beschriebenen.Vorrichtung findet gleichmäßig und stoßfrei statt. Dadurch ist die Aufladezeit kurz und es ist folglich eine hohe Betriebsfrequenz möglich. Im beschriebenen Beispiel fällt die Drehzahl der Einheit beim Impuls nur um 1OJf ab und nimmt dam progressiv und schnell wieder ihren Normalwert ein.
Um die erfindungsgemäß erhaltenen Vorteile bezüglich des Gewichtes und des Volumens zu veranschaulichen, wurde ein Vergleichstest zwischen einer herkömmlichen Elektronenblitz-Speisevorrichtung mit Kondensatorbatterien und einer erfindungsgemäßen Vonichtung durchgeführt. Bei einer Drehzahl von 15 000 U/min, und einer Impulsenergie von 1 kJ beträgt die Ersparnis bei Anwendung der Erfindung auf Drehmaschinen 11 Gew.^ und 57 Vol#, und bei Energien von 100 kJ sind die Gewichts- und Volumjersparnisse 54 bzw. 78$. Bei hohen Spitzenleistungen ist die Ersparnis also sehr groß.
So ist es beispielsweise durch die Erfindung möglich, bei den niedrigen Spitzenleistungen eine tragbare Vorrichtung mit vermindertem Gewicht (unter 10 kg) und mit kleinem Volumen zu schaffen, was bei den Kondensatorvorrichtungen unmöglich ist.
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Aufgrund des Gleichrichters 4 ist eine Impulsendflanke erzielbar, was für die Erregung eines Lasers wichtig ist.
Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die den Teilen gemäß Fig. 1 entsprechenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Eine auf die Spannung ansprechende Vorrichtung 21 ist mit den Klemmen der Gleich- j richterbrücke verbunden und betätigt die Steuerelektrode eines Elementes 22 mit steuerbarer Leitfähigkeit, das in Reihe mit der Last geschaltet ist. Das Ausgangssignal der auf die Spannung ansprechenden Vorrichtung 21 wird auch in eine Verzögerungsleitung 23 eingespeist, deren Ausgangssignal wiederum an die Steuerelektrode des Gleichrichters 4 gelegt wird.
Durch den Gleichrichter 22 wird eine unbeabsichtigte Selbstzündung des Elektronenblitzes 3 vermieden. Die Eigenschaften ändern ( sich nämlich im Laufe der Zeit und es besteht die Gefahr, daß die Zündungsspannung mit zunehmender Alterung des Elektronenblitzes abnimmt.
Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt: Wenn der Wechselstromgenerator gezündet wird, nimmt die Spannung U zu und erreicht den uchv/ellwert der Vorrichtung 21. Diese speist dann dem Gleichrichter 22 ein Entarretierungnsignal ein, worauf der Elektronenblitz 3
zumißt. 109 82 7/0387
- 14 -
Das.Ausgangssignal der Vorrichtung 21 betätigt auch den Gleichrichter 4 über die Verzögerungsleitung 23, deren Verzögerung die Dauer des Impulses genau bestimmt.
Außerdem ist ein Gleichrichter 24 mit steuerbarer Leitfähigkeit in Reihe mit dem Erregerstromkreis geschaltet. Parallel mit dem Gleichrichter 24 ist ein Kondensator 25 und ein weiterer, steuerbarer Gleichrichter 26 geschaltet. Der Gleichrichter 24 wird bei Beginn des Zyklus leitend, d.h. wird bei Schließen des Unterbrechers 9 erregt. Er ermöglicht eine Gegenblockierung des Erregerstroms. Diese Gegenblockierung beruht auf der Erregung des Gleichrichters 26 und bewirkt ihrerseits, daß der Gleichrichter 24 durch den bei Entladung des Kondensators 25 freigewordenen Umkehrstrom- gelöscht wird. Diese Vorkehrung bewirkt eine Erhöhung der Aberregungsgeschwindigkeit des Generators. Der Gleichrichter 26 kann zu gleicher Zeit betätigt werden wie der Gleichrichter 4. In dieser Ausführungsform können der Kondensator 7 und die Diode 8 auch zum Entladen der in der Erregerwicklung 5 verbleibenden Energie verwendet werden.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche :
    Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen γόη kurzer Dauer und sehr größer Spitzenleistung mit einer Entladestrecke als Laat, gekennzeichnet durch einen Hochfrequenz-Wechselstromgenerator (1), der eine große träge Masse hat oder " mit einem Trägheits-Schwungrad gekoppelt ist, eine G-Ieichrichterbrücke (2), die mit der Ausgangsklemme' des Generators verbunden ist und eine Last (3) sowie einen steuerbaren, mit der Last parallelgeschalteten Gleichrichter (4) speist, dessen Kathode mit dem negativen Pol der Gleichrichterbrücke verbunden ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Generator (1) mit Kompound-Erregung arbeitet. '
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) selbsterregend ist.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) durch die Entladung eines Kondensators (9) in die Induktionswicklung zündbar ist.
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    - 16 -
    5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichterelement (22) mit steuerbarer Leitfähigkeit in Reihe mit der Last (3) geschaltet ist.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichrichterelement (22) mit steuerbarer Leitfähigkeit durch eine auf die Spannung ansprechende Vorrichtung (21) betätigt ist, die mit den Ausgangsklemmen der Gleichrichterbrücke
    (2) verbunden ist.
    7* Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Spannung ansprechende Vorrichtung (21) das Element (4) mit steuerbarer Leitfähigkeit betätigt, das mit der Last
    (3) über eine Leitung (23) mit einstellbarer Verzögerung parallelgeschaltet ist.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Last (3) parallelgeschaltete Element (4) mit steuerbarer Leitfähigkeit ein Ignitron ist.
    - 17 -109827/0387
    9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Kurzschließen der Erregerwicklung (5) des Generators (1) bei Impulsende vorgesehen ist.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorrichtung zum Kurzschließen der Erregerwicklung (5) * aus einem mit der Erregerwicklung des Generators (1) parallelgeschalteten Gleichrichter (8) mit steuerbarer Leitfähigkeit besteht.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (7) mit dem mit der Erregerwicklung (5) parallelgeschalteten Gleichrichter (8) in Beine geschaltet ist.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Konderisator (7) zugleich der Zündkondensator des Generators ist.
    13. Vorrichtung nach Anspruch! 1t dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichterelement (24) ai,t steuerbarer Leitfähigkeit mit der Erregerwicklung in Reihe geschaltet ist.
    109827/0387 - 18 -
    ORIGlNAL INSPECTED
    14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) eine große Anzahl Pole hat.
    13· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die innere Beaktans des Generators, (1) dem auf die Phase
    rückgeführten Widerstand des Elektronen-it »es - in Stromrich-) tung gesehen - vor der Gleichrichterbrücke nahezu entspricht.
    16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Höhe der Induktionspole im Verhältnis zum Induktionsdurchmesser klein ist·
    17· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daB die Tiefe der Statornuten ie Verhältnis zum Induktionsdurch-
    Ϊ messer klein ist.
    ORIGINAL INSPECTED
    109827/0387
    Laeripite
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