DE2263925A1 - Schubregelung fuer linearmotoren - Google Patents

Description

6 Frankfurt / Main 1 Niddastr. 52

28. Dezember 197 2 Vo/cs.

2274-2O-TT-349

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Schubregelung für Linearmotoren

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Regelsysteme für Elektromotoren und insbesondere auf die Schubregelung von linearen Induktionsmotoren.

Nahe der synchronen Drehzahl ist es ein Charakteristikum von Induktionsmotoren, daß das Drehmoment abnimmt, wenn die Motordrehzahl zunimmt. Dies tritt deshalb auf, weil die Drehzahl des Rotors dazu neigt, sich der Drehzahl des umlaufenden Feldes oder der synchronen Drehzahl zu nähern, wodurch die Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Feld und demzufolge der induzierte Strom und das Ausgangsdrehmoment verkleinert werden. Umgekehrt sind die charakteristischen Antriebserfordernisse für eine bestimmte Last, wie beispielsweise ein Gebläse oder eine Kreiselpumpe oder dergleichen, derart gelagert, daß das erforderliche

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Drehmoment mit dem Quadrat der Drehzahl zunimmt. Wenn eine derartige Last von einem Induktionsmotor mit der oben angegebenen Drehmoment/Drehzahlcharakteristik angetrieben wird, muß, um eine stabile Drehzahlregelung über dem erforderlichen Drehzahlbereich des Motors zu bewirken, das Verhältnis von Drehmoment zu Drehzahl verändert werden. Dies kann nur durch Steuerung der Spannung geschehen. Das erzeugte Drehmoment kann durch die Gleichung DlT dargestellt werden. Die Steuerung der Spannung kann in einer Reihe von Wegen durchgeführt werden, beispielsweise durch Transformatoranzapfungen, wenn eine stufenförmige Steuerung zulässig ist. Wenn aber eine gleichmäßige bzw. stetige Steuerung über einem weiten Drehzahlbereich erwünscht ist, wird die Spannungssteuerung besser durch ein System durchgeführt, das beispielsweise phasengesteuerte Gleichrichter verwendet. Bei einem derartigen System wird eine präzise wirksame Spannungseinstellung auf einfache Weise durch Steuerung mit kleiner Leistung von Gleichrichterzündschaltungen erhalten. Diese Art eines Steuersystems ist in der US-Patentschrift 3 582 737 beschrieben.

Auch wenn die Strombelastbarkeit der oben angegebenen Steuereinrichtung gegenüber vorhergehenden Anordnungen stark vergrößert ist, so bleibt doch ein Erfordernis für teure Komponenten mit einer Strombelastbarkeit, die wenigstens die Hälfte des Stromes in der Motorleitung beträgt. Das Erfordernis zur Steuerung einer derartigen Leistung macht eine Reihe von Festkörperkomponenten notwendig, deren Kosten durch die bestimmte Motorapplikation nicht gerechtfertigt werden können.

Es ist auch ein System für eine wirtschaftlichere Steuerung de an eine Motorleistungsschaltung angelegten Spannung entwickelt worden, bei dem ein Gleichstrom-Motorsystem an eine Wechselstron-Leistungsquelle gelegt wird. Diese Anordnung ist in der US-Patentschrift 3 257 597 beschrieben. Danach wird ein Eingangstransforrna-

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tor mit einer Sekundärwicklung verwendet, die aus einer Anzahl von Sekundärwindungen gebildet wird, welche jeweils ei'ne blockförmige Speisespannung darstellen, die dem System stufenförmig zugeführt oder von diesem weggenommen werden kann. Durch Steuerung der Spannung von einem dieser Blöcke kann für eine volle Regelung über praktisch dem gesamten Eingangsspannungsbereich gesorgt werden, obwohl nur ein Teil der Speisespannung geregelt wird. Diese Anordnung hat sich in einem Wechselstrom-Gleichstromsystem als zufriedenstellend erwiesen, wobei sich die durch jede der Sekundärwindungen erzeugten Spannungen, wenn sie gleichgerichtet sind, zueinander addieren. Eine derartige Anordnung der Spannungsstufung ist jedoch für eine Energiezufuhr zu Wechselstrommotoren nicht praktikabel.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung des Schubes von linearen Induktionsmotoren zu schaffen.

Dabei soll eine glatte bzw. stetige Steuerung der Spannung geschaffen werde:!, die an.einen Induktionsmotor angelegt wird, welcher über einem weiten Drehzahlbereich arbeitet.

Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für eine effektive und präzise Steuerung des Schubes eines Induktionsmotorsystems mit einer minimale Kosten verursachenden Vorrichtung zu schaffen.

Schließlich sollen phasengesteuerte Gleichrichtersysteme mit beträchtlich kleineren Nennströmen verwendet werden können, um die Spannung eines Motors mit einem gegebenen Nennstrom zu steuern.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die sequentielle Erregung einer Vielzahl von Induktionsmotorabschnitten gelöst, und die entsprechende sequentielle Steuerung der Spannung wird auf jeden

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Abschnitt ausgeübt, um das Motordrehmoment und die Drehzahl auf den gewünschten Wert zu erhöhen.

Es wird ein einzelner Sp?nnungssteuerungsmodul geschaffen, um die Spannung über jeweils einem der Motorabschnitte zu regeln, wobei die Steuerung durch die Zündung steuerbarer Gleichrichter mit kleiner Leistung erfolgt. Wenn ,-jeder Motorabschnitt erregt wird, wird der Regelmodul in den damit verbundenen Schaltkreis hineingeschaltet und aus dem Schaltkreis des vorher erregten Motorabschnittes herausgenommen, wodurch ein steigender Motorgesamtschub geschaffen wird. Trotzdem wird eine sequentielle Spannungssteuerung der einzelnen Abschnitte gestattet. Der Nennstrom des Spannungsregelungsmoduls braucht nur ein Bruchteil des Motorleitungsstroms zu sein, und dieser Bruchteil ist umgekehrt proportional zur Anzahl der verwendeten Motorabschnitte.

Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, sind die zahlreichen Motorabschnitte vorzugsweise magnetisch entkoppelt. Auch wenn dies bei rotierenden Induktionsmotoren geschehen kann, so ist es beim gegenwärtigen Stand der Technik schwierig, teuer und unpraktisch, dies zu tun. Ein linearer Induktionsmotor eignet sich jedoch gut für diese Anwendung, da eine physikalische Trennung der Motorabschnitte auf einfache Weise herbeigeführt werden kann, wodurch effektiv eine Vielzahl elektrisch unabhängiger kleiner Motoren erzeugt wird. Die Beschreibung dieses bevorzugten Ausführungsbeispieles ist somit auf ein System für eine Verwendung mit einem linearen Induktionsmotor gerichtet, sie ist aber nicht notwendigerweise auf diese besondere Applikation begrenzt.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

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Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild von einer mehrphasigen Motoranordnung variabler Drehzahl mit einer abschnittsweise erfolgenden sequentiellen Schalt- und Spannungssteuerung.

Fig. 2 ist eine repräsentative graphische Darstellung und zeigt die Abhängigkeit von Schub und Drehzahl unter verschiedenen Betriebsbedingungen eines drei Abschnitte aufweisenden linearen Induktionsmotors.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Motor- und Steuerungsanordnung insgesamt bei IO dargestellt. Diese erfindungsgemäße Anordnung ist für eine Verwendung mit Induktionsmotoren gedacht und ist besonders geeignet für eine Verwendung mit linearen Induktionsmotoren. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel stellt einen linearen Induktionsmotor mit "kurzem Stator" dar, wobei der Stator 15 durch relative elektromagnetische Reaktion an einem nicht gezeigten linearen Rotorelement entlangbewegt wird.

Eine mehrphasige Leistungsquelle 11 liefert Energie an die Statorabschnitte 12, 13 und 14 des Motors, wobei die Spannung in jedem einzelnen Abschnitt zu jeder Zeit durch den Spannungsregelungsmodul 16 geregelt wird. Die Statorabschnitte 12, 13 und 14 werden der Reihe nach erregt, um den Motorgesamtschub zu vergrößern, der zur Erreichung der gewünschten Motordrehzahl zur Verfügung steht.

Die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigte mehrphasige Leistungsquelle 11 ist dreiphasig und liefert Strom an die Leitungen a, b und c, aus denen die Statorwicklungen eines Induktionsmotors gespeist werden. Eine derartige Leistungsquelle muß notwendigerweise mehrphasig oder einphasig sein, wobei die Leistungs« quelle dann in zwei getrennte Spulengruppen unterteilt und eine Phasendifferenz beispielsweise dadurch erhalten wird, daß mit einer der Gruppen Kapazitäten in Reihe geschaltet werden.

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Die Leistungsquelle kann stationär sein, .wobei die Energiezufuhr zu dem bewegbaren Stator 15 durch ein unterwegs angeordnetes elektrisches Leistungsabnahmesystem erfolgen kann, oder die Leistungsquelle kann mit dem Stator 15 des Motors vereinigt sein, wie beispielsweise bei einer Anordnung eines primären Antriebs und eines angetriebenen Wechselstrommotors, der von der Statoreinheit oder ihrem zugehörigen Fahrzeug getragen wird. In jedem Fall wird eine konstante Spannung oder eine Grundspannung angestrebt.

Der Stator 15 ist aus zahlreichen elektrisch nicht gekoppelten Statorabschnitten aufgebaut, die in einer beabstandeten linearen Relation angeordnet sind. Zu Darstellungszwecken zeigt Fig. 1 drei Abschnitte 12, 13 und 14; die tatsächliche Anzahl hängt jedoch einzig und allein von der Wirtschaftlichkeit der bestimmten Applikation ab. Jeder Abschnitt ist derart gewickelt, daß er bei voller Spannung denjenigen Bruchteil des erforderlichen Gesamtschubes entwickelt, wie sein ausmachender Bruchteil zur Gesamtzahl der Abschnitte.

Die Abschnitte 12, 13 und 14 weisen jeweils abwechselnde mehrphasige Wicklungen 12a, 12b und 12c, 13a, 13b und 13c bzw. 14a, 14b und 14c auf, um auf diese Weise diskrete betriebsfähige Statoren zu bilden, wobei die primären Windungen von der Leistungsquelle 11 über Leitungen a, b und c gespeist werden können. Jede der Windungen in den Abschnitten 12, 13 und 14 ist mit ihrem entsprechenden Phasenleiter a, b und c durch die entsprechenden Einlaßklemmen 17a, 17b und 17c, 18a, 18b und 18c, sowie 19a, 19b und 19c gekoppelt, so daß die Abschnitte 12, 13 und 14 elektrisch parallel geschaltet sind. Jede Wicklung weist auch Steuerklemmen auf, wobei die entsprechenden Klemmen durch die Bezugszahlen 21a, 21b und 21c, 22a, 22b und 22c, sowie 23a, 23b und 23c bezeichnet sind.

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Für jeden der Abschnitte außer einem ist ein Paar kurzschließender Kontaktstücke vorgesehen, um eine Kurzschließung ihrer Steuerklemmen zu ermöglichen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind kurzschließende Kontaktstücke 24 und 26 zwischen den Klemmen 21a und 21b bzw. 21b und. 21c vorgesehen, während kurzschließende Kontaktstücke 27 und 28 zwischen den Klemmen 22a und 22b bzw. 22b und 22c vorgesehen sind. Durch Schließung eines der Paare kurzschließender Kontaktstücke kann der zugehörige Statorabschnitt gespeist werden, und an diesen wird dann von der Leistungsquelle 11 die volle Spannung angelegt, um einen Schub zu erzeugen. Jeder Abschnitt kann somit stufenförmig in den Betriebszustand ein- oder ausgeschaltet werden, je nachdem ob der Schub vergrößert oder verkleinert werden soll. Eine derartige Schaltung kann manuell durch eine Betätigungsperson oder automatisch durch spannungsabhängige Betätigungsglieder (nicht gezeigt) herbeigeführt werden, wie sie in der Technik allgemein bekannt sind.

Die Steuerklemmen von jedem der Abschnitte 12, 13 und 14 sind mit den Klemmen 29, 31 bzw. 32 durch Leitungen 33, 34 und 35, 36, 37 und 38 sowie 39, 41 und 42 verbunden.

Es sind zwei Schalter vorgesehen, und zwar jeweils einer in zwei Leitungen, um die Schaltkreise zwischen jedem der Abschnitte und den Klemmen 29, 31 und 32 zu öffnen oder zu schließen. Die Schalter sind mit den Bezugszahlen 43 und 44, 46 und 47 bzw. 48 und 49 bezeichnet.

Der Spannungsregelungsmodul 16 ist mit den drei Klemmen 29, 31 und 32 gekoppelt und kann selektiv in irgendeinen der drei Schaltkreise hinein- oder herausgeschaltet werden, die die Leistungsquelle, einen Statorabschnitt und den Spannungsregelungsmodul umfassen. Der Spannungsregelungsmodul ist in der Lage, für eine glatte bzw. stetige Regelung der Spannung in dem gewählten Schaltkreis zu sorgen, und zwar durch Steuerung phasengesteuerter Gleich-

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richtung durch eine kleine Leistung, wie es in der bereits erwähnten US-Patentschrift 3 582 737 beschrieben ist. Der Spannungsregelungstnodul braucht nur die Strombelastbarkeit von derjenigen eines einzelnen Abschnittes zu haben, und deshalb kann seine Komponente wesentlich kleiner und billiger sein gegenüber derjenigen, die zur Regelung der Spannung einer konventionellen Induktionsmotoranordnung erforderlich ist. Das Stromleitungsvermögen des Regelungsmoduls ist abhängig von der Anzahl der verwendeten Statorabschnitte, wobei die Beziehung umgekehrt proportional ist. Je größer die Anzahl der Abschnitte ist, desto kleiner kann also der Modul sein. Dieser Vorteil wird jedoch dadurch teilweise ausgeglichen, daß für jeden Abschnitt zusätzliche Schaltungsmittel erforderlich sind. Das Öffnen und Schließen der Schalter kann in einer ähnlichen Weise durchgeführt werden, wie es bereits in bezug auf die kurzschließenden Kontaktglieder beschrieben wurde, und sie können automatisch betätigt werden in Abhängigkeit von dem erforderlichen Drehmoment, wie es durch den Spannungswert in irgendeinem Abschnitt angegeben ist.

Im Betrieb wird die Anordnung in folgender Weise angewendet. Der erste Statorabschnitt wird durch Schließung der Schalter 43 und 44 erregt, während alle anderen Schalter und Kurzschlußkontakte geöffnet bleiben. Der geschlossene drdphasige Schaltkreis umfaßt dann die Leistungsquelle, den Statorabschnitt 12 und den Spannungsregelungsmodul, der verwendet wird, um die angelegte Spannung und somit das Ausgangsdrehmoment aus dem Abschnitt 12 glatt und präzise zu vergrößern. Wenn die Statordrehzahl vergrößert ist und die Spannung schließlich auf diejenige der Leistungsquelle ausgesteuert ist, werden die kurzschließenden Kontakte 24 und 26 geschlossen, um den Schaltkreis zu schließen, und die Schalter und 44 werden geöffnet, um den Modul aus dem Schaltkreis herauszunehmen. Der Statorabschnitt 12 erzeugt nun sein maximales Drehmoment, und wenn ein größeres Drehmoment gewünscht wird, kann der Abschnitt 13 erregt werden. Hierfür werden die Schalter 46 und

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geschlossen, um den parallelen Kreis zu schließen, wobei der Spannungsregelungsmodul verwendet werden kann, um den Abschnitt 13 auf seinen maximalen Ausgangsschub zu bringen. Daraufhin werden die kurzschließenden Kontaktstücke 27 und 28 geschlossen, die Schalter 46 und 47 werden geöffnet und die Schalter 48 und 49 werden geschlossen, um den Abschnitt 14 zu erregen. Dann kann der Modul 16 verwendet werden, um die Spannung des Abschnittes 14 von null auf die Spannung der Leistungsquelle, d.h. die Grundspannung, auszusteuern. Somit wird eine präzise stetige Spannungssteuerung und infolgedessen Schubsteuerung über dem gesamten Drehzahlbereich des Motors durch die eine kleine Leistung erfordernde Steuerung der Gleichrichter des Moduls geliefert.

In Fig. 2 sind typische Schubwerte in Relation zur Drehzahl für einen Induktionsmotor aufgetragen, der in Abschnitten erregt wird, wie es vorstehend beschrieben ist. Ferner ist eine Kurve von Lastwerten in Relation zur Drehzahl gezeigt.

Die Kurve m stellt die Schubwerte dar, die durch einen einzelnen Abschnitt, d.h. Abschnitt 12, erzeugt werden, wenn die volle Leitungsspannung an diesen angelegt ist. Beim Betrieb eines einzelnen Abschnittes kann der Spannungsregelungsmodul 16 verwendet werden, um die daran angelegte Spannung zu verändern und somit die Kurve nach unten laufen zu lassen, wie z.B. für die Kurve m.

In ähnlicher Weise sind die Schubwerte durch die Kurve η angegeben, wenn zwei Abschnitte, d.h. die Abschnitte 12 und 13, mit der vollen Leitungsspannung verbunden sind. Die Werte zwischen den Kurven m und η (beispielsweise n') können dadurch erhalten werden, daß der erste Abschnitt 12 an der vollen Leitungsspannung liegt und der zweite Abschnitt 13 mit dem Spannungsregelungsmodul gekoppelt ist, um in diesem die Spannung zu steuern. In ähnlicher Weise kann, wenn die zwei Abschnitte 12 und 13 an voller Spannung liegen, der Spannungsregelungsmodul die Drehmomentwerte zwischen

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der Kurve η und der Kurve ρ liefern, welche die Werte des Motors darstellt, wenn alle drei Abschnitte an voller Leitungsspannung liegen.

Der Spannungsregelungsmodul sorgt deshalb für eine glatte und präzise Regelung der Spannung und des Drehmomentes über einem vollen Bereich der Fahrzeugdrehzahlen.

Die Effektivität der Motoranordnung kann dadurch stark erhöht werden, daß die Statorabschnitte bis zu einem praktikablen Grad magnetisch entkoppelt werden. Linearmotoren eignen sich für diese Anordnung, da die Entkopplung durch physikalische Trennung der Abschnitte erreicht werden kann. Auch wenn es der Stand der Technik z.Z. für schwierig und nicht praktikabel hält, diese Anordnung auf rotierende Induktionsmotoren anzuwenden, so sollte sie nicht als eine mögliche zukünftige Anwendungsart unberücksichtigt bleiben.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   I.) Regelsystem zur Regelung der an einen linearen Induktionsmotor variabler Drehzahl angelegten Spannung, der von einer mehrphasigen Wechselspannungsquelle einer gegebenen Grundspannung speisbar ist, gekennzeichnet durch

   a) einen Stator (15), der in bezug auf ein Rotorteil durch die Wechselwirkung der dazwischen bestehenden Magnetkräfte in linearer Richtung bewegbar ist,

   b) wobei der Stator aus zahlreichen elektrisch nicht gekoppelten Abschnitten (12, 13, 14) besteht, die im Abstand linear angeordnet sind und Spulen (12a-c, 13a-c, 14a-c) aufweisen, die jeweils Eingangs- (17a-c, 18a-c, 19a-c) und Steuerklemmen (21a-c, 22a-c, 23a-c) aufweisen,

   c) Mittel zur unabhängigen und sequentiellen Parallelschaltung jeder der zahlreichen Abschnitte mit der Wechselspannungsquelle (11), wobei die Eingangsklemmen zu jedem Statorabschnitt mit abwechselnden Phasen verbunden sind,

   d) eine Spannungsregelungseinrichtung (16), die jeweils mit

   einem der zahlreichen Statorabschnitte an deren Steuer-

   die

   klemmten verbindbar ist und durch die/Spannung, die demjenigen Statorabschnitt zugeführt ist, mit dem sie verbunden ist, von null auf die Grundspannung veränderbar ist,

   e) Schaltungsmittel (24, 26, 27, 28), die mit den zahlreichen Statorabschnitten verbunden sind, so daß die entsprechenden Steuerklemmen verbindbar und die Grundspannung über die Statorreihe anlegbar ist, und

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   f) Schaltmittel (43, 44, 46, 47, 48, 49), die mit jedem Schaltkreis zwischen der Spannungsregelungseinrichtung (16) und jedem der Statorflbschnitte (12, 13, 14) verbunden sind und durch die die Spannungsregelungseinrichtung von dem zugehörigen Statorabschnitt trennbar ist.
2. 2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungsregelungseinrichtung (16) phasengesteuerte Gleichrichter ist.
3. 3. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zahlreichen Statorabschnitte (12, 13, 14) durch physikalische Trennung magnetisch entkoppelt sind.
4. 4. Verfahren zur Regelung des Schubes eines linearen Induktionsmotors, wenn die Drehzahl des Motors vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) zahlreiche Statorabschnitte elektrisch entkoppelt werden, die im Abstand linear angeordnet sind und jeweils zahlreiche Spulen mit Eingangs- bzw. Steuerklemmen aufweisen,

   b) die Eingangsklemmen von jedem der zahlreichen Statorabschnitte mit zugehörigen Phasenschenkeln einer mehrphasigen Wechselspannungsquelle vorbestimmter Spannungsgröße parallel geschaltet werden,

   c) eine Spannungsregelungseinrichtung mit den Steuerklemmen eines ersten Statorabschnittes gekoppelt wird, um einen Schaltkreis zu schließen, der die Leistungsquelle, den ersten Statorabschnitt und die Spannungsregelungseinrichtung umfaßt,

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   d) die Spannung über dem ersten Statorabschnitt von null auf die vorbestimmte Spannungsgröße erhöht wird, *

   e) die Steuerklemmen des ersten Statorabschnittes kurzgeschlossen werdai,so daß diesem die vorbestimmte Spannung zugeführt wird,

   f) die Spannungsregelungseinrichtung von den Steuerklemmen des ersten Statorabschnittes getrennt wird,

   g) die Spannungsregelungseinrichtung mit den Steuerklemmen eines zweiten Statorabschnittes verbunden wird, um einen zweiten Schaltkreis zu schließen, der die Leistungsquelle, den zweiten Statorabschnitt und die Spannungsregelungseinrichtung umfaßt,

   h) die Spannung über dem zweiten Statorabschnitt von null auf die vorbestimmte Spannungsgröße erhöht wird und

   i) die Schritte^bis h dupliziert werden, wobei die übrigen Statorabschnitte der Reihe nach erregt werden, bis der gewünschte Schub des Motors erreicht wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Merkmal d durch Steuerung phasengesteuerter Gleichrichter mit kleiner Leistung durchgeführt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zuvor die zahlreichen Statorabschnitte durch physikalische Trennung magnetisch entkoppelt werden.

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