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Generator zur Erzeugung von Wechselstrom konstanter
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Frequenz bei veränderlicher Antriebsdrehzalil Die Erfindung be-trifft
einen Generator nach Art herkömmlicher Dynamo maschinen zur Erzeugung von Wechselstrom
konstanter Frequenz unabhängig von der Antriebsdrehzahl0 Bei vielen Anwendungsfällen
von Wechselstromerzeugern mittels Vorrichtungen nach Art von Dynamomaschinen ist
es notwendig, daß die von diesen in ihr Verbrauchernetz gelieferte Leistung in mit
engen Toleranzen liegender Spannung sowie Frequenz bleibt. Die Forderung nach praktisch
gleichbleibender Spannung trotz starken Schwankungen der mechanischen Eingangsdrehzahl
der Maschine oder des Netzverbrauchs wird durch die heutige Praxis im allgemeinen
zufriedenstellend erfüllt. Nuß jedoch die weitere Forderung praktisch konstanter
Frequenz trotz stark schwankender Eingangsdrehzahl des Läufers des Wechselstromerzeugers
erhoben werden, begegnet dies erheblichen Schwierigkeiten und Komplikationen.
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Eine derartige Forderung nach konstanter Frequenz ist besonders kritisch
bei der Erzeugung von Wechselstrom für das Bordnetz von Flugzeugen. Auf Flugzeugen
von mittlerer bis Riesengröße ist Wechselstrom konstanter Frequenz die weitaus bevorzugte
Stromart für die Vielzahl der Bordverbraucher. Zumeist werden die Wechselstromgeneratoren
mechanisch von den Triebwerken angetrieben, deren dem Flugbetrieb angepaßte Drehzahlen
in sehr weiten
Grenzen variieren. Verzichtet der Flugzeugkonstrukteur
nun nicht von vornherein auf die Konst-anthaltung der Frequenz seines Bordnetzes,
was er mit Rücksicht auf die hohe Frequenzempfindlichkeit' vieler wichtiger Strom
verbraucher selten zu tun berei ist, ist ist> irgendeine Einrichtung notwendig,
die einen Wechselstrom konstanter Frequenz mit guter Sinusform erzeugt. Gegenüber
in dieser Beziehung weniger anspruchsvollen Bodenanlagen verlangt die Luftfahrt
für eine derar-tige Vorrichtung auch noch geringes Gewicht, kleinen Raumbedarf und
hohe Zuverlassigkeit. Mit den bisher bekannten Mitteln sind diese Migenschaften
nur teilweise und unvollkommen erreichbar.
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Zur Erfüllung dieses Aufgabenbereiches hat man mit vielerlei mechanischen
Zwischengetrieben experimentiert; wegen der Nachteile derartiger Geräte haben sich
diese Lösungen in der Praxis nicht bewährt. Auch sind vecschiedene elektrische und
elektronische Kunstschaltungen vorgeschlagen worden, von denen bisher ihrer Kosten,
ihres Gewichts und ihres Raumbedarfs wegen keine in die Allgemeinpraxis Eingang
gefunden hat. Nur einige dieser Notlösungen haben aus Mangel an etwas Besserem beschränkte
Verwendung auf einigen Flugzeugtypen gefunden.
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Der zur Zeit trotz sener Nachteile weitaus verbreiteste derartige
Notbehelf wird durch jeweils ein zwischen Flugzeugtriebwerk und Wechselstromgenerator
geschaltetes hydromechanisches Getriebe geboten, Diese Geräte werden auf ihrer Eingangsseite
vom Triebwerk mit dessen veränderlicher Drehzahl angetrieben, und ihre mit der gewünschten
Generator drehzahl einigermaßen korrespondierende Ausgangsdrehzahl ist dann ziemlich
konstant und infolgedessen auch die Frequenz im Bordnetz Jedoch ist
der
notwendige Aufwand für derartige Getriebe außerordeutlich hoch.
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Anstatt die Rolle eines relativ unscheinbaren, sekundären HilSsaggregates
zu spielen, übersteigen Raumbedarf, Gewicht sowie Anschaffungs- und Unterhaltskosten
derartiger Getriebe ganz erheblich die des angekoppelten Generators. Um ferner ihre
Aufgabe in annehmbarer Weise zu lösen, konstante Ausgangsdrehzahl innerhalb enger
Toleranzen mit nur kurzen und geringen Abweichungsspitzen bei variierenden 'Griebwerksirehzahlstößen
zu liefern, miissen diese komplizierten hydromechanischen Getriebe als Präzisionsgeräte
konstruiert und gefertigt werden.
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Dadurch werden sie höchst störempfindlich und unerwünscht stark repKraturanfällig.
Hierdurch werden ihre Sberholungsintervalle (" .0." gleich "time between overhauls"
in der internationalen Fachsprache) unwirtschaftlich kurz.
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Eine Demontage des gesamten kombinierten Stromversorgungsaggregates
ist sehr viel häufiger notwendig als das sonst für den viel zuverlässigeren Generator
an sich der Fall sein würde. Dies verursacht hohe Unterhaltungskosten sowie häufige
zivil und militärisch höchst unzeitgemäße Betriebsausfälle.
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Auf der Suche nach einem besseren System sind bei einigen Flugzeugtypen,
besonders französischer Konstruktion, Wechseistromgeneratoren verwendet worden,
deren in verhältnismäßig engen Grenzen variable Eingangsgeschwindigkeit über ein
wirbelstromgebremstes Differentialgetriebe in eine einigermaßen konstante Drehzahl
der stromerzeugenden Maschinenteile verwandelt wird, und wodurch die Ausgangsfrequenz
für nicht allzu hohe Ansprüche als konstant angesehen werden kann. Derartige Anordnungen
haben sich aber nur sehr beschränkt in die
Praxis einführen lassen.
Ihre Nachteile sind niedrige Wirkungsgrade, ferner eine niedrige Lebensdauer infolge
der durch die Wirbelströme verursachten hohen Betriebstemperaturen, unerwünscht
hohe Gewichte und durch die Kompliziertheit ihres Aufbaus bedingte häufige Betriebsausfälle.
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Weiterhin ist in der US-PS 3 521 149 ein mit variabler Drehzahl antreibbarer
Wechsel stromerzeuger beschrieben, dessen Hauptmerkmal darin besteht, daß anstelle
von einer auf der Konstruktion, wie bei einer gewöhnlichen Dynamomaschine, beruhenden,
unveränderlichen Anzahl von Erregerpolen hier dem aus leicht magnetisierbarem Material
bestehenden Erreger eine von der Maschinendrehzahl abhängige, und somit variable
Anzahl von Polen aufgedrückt wird, die dann jeweils relativ zum Erreger feststehen.
Diese von der Maschinendrehzahl abhängige variable Anzahl der im Erreger feststehenden
Pole erzeugt dann, verbunden mit dem Stromerzeugungsteil der Maschine einen Wechselstrom
ziemlich konstanter Frequenz. Zusätzlich zu diesem obenerwähnten Hauptmerkmal dieser
Maschine, nämlich der relativ zum Erreger feststehenden Pole, ist sie in ihrer bisher
bekannten Ausführung von der relativ geringen Ausgangsleistung von ca. 1 PS im Gegensatz
zu herkömmlichen Generatoren von innen nach außen gekehrt, indem der erregende Läufer
mit der ihm aufgedrückten variablen Anzahl von relativ zu ihm ortsfesten Polen außen
um den stromerzeugenden Ständer herumläuft. Bisher ist keine praktische Verwendung
einer derartigen Vorrichtung weder in der Luftfahrt noch in einer anderen Industrie
bekanntgeworden.
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Ferner sind verschiedene Entwicklungen von statischen, elektronischen
Frequenzwandlern unternommen worden. Diese
verarbeiten den von herkömmlichen,
mit variabler, oft recht hoher Drehzahl laufenden Generatoren erzeugten Wechselstrom
mit ihrer der jeweiligen Drehzahl entsprechenden Frequenz elektronisch in Wechselstrom
mit konstanter Frequenz. Obwohl im Prinzip diese modernen Konzeptionen oftmals bestechend
erscheinen, hat sich bisher keine dieser Entwicklungen erfolgreich in die allgemeine
Luftfahrtpraxis einführen lassen. Die Vielzahl der benötigten, z.iT sehr kostspieligen
elektronischen Bestandteile hält die Kosten derartiger Geräte unwirtschaftlich hoch.
Auch verboten bisher entgegen der Erwartung Raumbedarf und Gewicht dieser Systeme
ihre praktische Anwendung, da sie viele schwere und platzbeanspruchende Filter und
Transformatoren benötigen, um eine brauchbare Wellenform zu erzielen.
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Die im Vorhergehenden aufgezeigten Nachteile veranlassen die Technik,
besonders bei der Konstruktion kleinerer Flugzeuge, wo diese Nachteile noch gewichtiger
sind, häufig zur Wahl eines Gleichstrombordnetzes, obwohl man gewöhnlich viel lieber
unmittelbar frequenzkonstanten Wechselstrom erzeugen würde. Dabei handelt man viele
andere Nachteile der Gleichstromerzeugung ein und begnügt sich im Besonderen resignierend
mit minderwertigeren Gleichstromverbrauchern und nimmt noch den zusätzlichen Aufwand
von Umformern in Kauf für die Verbraucher des Bordnetzes, die nicht ohne frequenzkonstanten
Wechselstrom betrieben werden können. Die einer derartigen Wahl eines Gleichstrombordnetzes
zugrunde liegende Eosten-, Gewichts- und Betriebsanalyse würde sich natürlich sofort
zu Gunsten von Wechselstrom ändern, wenn eine einfache Vorrichtung mit annehmbaren
Kosten und befriedigender Zuverlässigkeit zur Verfügung stünde.
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Angesichts all dieser im Vorhergehenden betrachteten, im Endeffekt
nur Behelfslöungen bietenden Vorrichtungen be steht das dringende Bedürfnis, eine
kompakte, leichte, kleine, zuverlässige und präzise Vorrichtung zur Erzengung von
Wechselstrom konstanter Frequenz anabbängig von der Eingangsdrehzahl zu einem annehmbaren
Preis ZU schaffen.Die Luftfahrtindustrie sucht danach seit Jahren.
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Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist eine geeignete Adaption eines
asynchronen Wechselstromgenerators.
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w-ohl dessen- Erreger mechanisch mit variabler Drehzahl gedreht axial,
lauS-t seine eleletroluagne tische Erregung mitt der der gewünschten Ausgangsfrequenz
entsprechendes Regeldrehzahl. Je nach Eingangsdrehzahl der erfindungsgemäßen Vorrichtung
läuftdemnach das mit Regeldrehzahl Dr laufende Erregerfeld dem mit Läuferdrehzahl
DL laufenden Erreger selbst mit einer jeweiligen Differentialdrehzahl DD vor oder
nach, oder steht relativ Zll ihm still. Also im Arbeitsbereich der Maschine ist
: DL + DD = Dr = konstant, und der asynchrone Wechselstromgenerator ist in einen
synchronen, konstant Ausgangsfrequenz liefernden verwandelt worden.
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Eine bevorzugte Lösung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus
einem herkömmlichen, Kraftwechselst;rom an das Verbrauchernetz liefernden Ständer,
in dem koaxial ein mechanisch angetriebener Erreger drehbar angeordnet ist>.
Obwohl die Rollen dieser beiden Maschinenelemente vertauschbar sind, ohne daß damit
der Rahmen der Erfindung verlassen wird, wird im Folgenden die obenbeschriebene
Anordnung zur Grundlage der weiteren beschreibung
gemacht ; und
obwohl ferner bei manchen Generatorkonstruktionen der Erreger nur einen Teil des
Läufers darstellt, wird er im Folgenden der Einfachheit halber als "Läufer" bezeichnet.
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Ahnlich wie bei herkömmlichen Wechselstrmgeneratoren mit ausgeprägten
Polen besteht dieser Läufer aus einem auf seiner Achse koaxial befestigten Paket
von magnetisierbaren, ve rlustarmen Blechen mit einer geraden Anzahl von in gleichmäßigen
Abständen über seinen Umfang verteilten Zähnen. Diese tragen jeweils eine ihren
Kern umgebende Erregerspule; die Spulen sind alle im gleichen Sinne gewickelt, -und
ihre Enden führen zu am Läufer angebrach-ten SchaltmitLeln. Die Zähne mit ihrem
Kern und Polsehuh sowie die den Kern umgebende Spule wilden jeweils einen Polteil.
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Der Läufer wird mit kontinuierlichem oder pulsierendem Erregergleichstrom
gespeist, der von einem äußeren herkömmlichen Spannungsregler derart gesteuert wird,
daß iie Ausgangsspannung des Ständers unabhängig von der Veroraucherlast im Netz
innerhalb ihrer Toleranzen gehalten wird. Dieser Erregerstrom wird über die obenerwähnten
Schaltmittel den Erregerspulen zugeführt, wie nachfolgend beschrieben.
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Die rregerspulen werden derart geschaltet und gepolt, daß zu ihnen
gehörige und einander benachbarte Polteile zu Gruppen gleicher Polarität zusammengefaßt
werden. Um jeweils einen Pol sprung versetzt bilden diese Gruppen übergeordnete
resultierende Erregerpole, die im Folgenden als "Wirkpole" bezeichnet werden. Hierbei
wird als "Polsprung" der auf die Läuferwelle bezogene Umfangswinkel definiert, der
sich zwischen einem Nord- und einem
benachbarten Südwirkpol erstreckt.
Benachbarte Wirkpole wechseln sich in Umfangsrichtung in ihrer Polarität ab und
setzen sich mit den ihnen magnetisch gegenüberliegenden Wirkpolen gleicher Polarität
zu Wirkpolgruppen zusammen. Ihr magnetischer Fluß durchsetzt den Läufer, seinen
ihn umgebenden Luftspalt und den Ständer. Wenn eine derartige Schaltung der Erregerspulen
in gleicher Weise ohne jede Umerregung beibehalten würde, würde die Iiaschine bei
mechanischer Drehung ihres Läufers wie ein asynchroner WechseIstromgenerator wirken,
dessen Ausgangsfrequenz der Zahl seiner Wirkpolgruppen und seiner Eingangsdrehzahl
entspricht.
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Soweit im Vorhergehenden betrachtet, stand das Eraftfeld der Wirkpole
relativ zum Läufer still. Werden nun aber durch entsprechende Steuerung die jeweiligen
Erregerströme in allen, die Polteilgruppen an der einen oder anderen Seite begrenzenden
Polteilen gleichmäßig umgepolt, erfahren die Wirkpole eine Drehung um die Polteilsteigung
in-der Richtung zu den umgepolten Polteilen hin. Erfolgt nun diese Umerregung umlaufend
mit Differentialdrehzahl an einer Gruppe von Polteilen nach der an--deren, läuft
das erregende Feld relativ zum Läufer mit Differentialdrehzahl und das auf den Ständer
wirkende Magnetfeld mit Regeldrehzahl.
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Würden nun den einzelnen Polteilgruppen jeweils eine gerade Anzahl
von voll erregten Polteilen zugeordnet werden, mWßte bei der Umerregung einer Polteilgruppe
der betreffende Erregerstrom zuerst abgeschaltet und nach Umpolung wieder zugeschaltet
werden. Dies würde die Erregung in den betroffenen Polteilen zeitweilig unterbrechen
und somit zu einer erheblichen Abnahme der gesamten Wirkpolerregung und damit zeitweilig
zu einem Abfall von Ausgangsspannung und Leistung des Generators führen.
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Selbst wenn der Spannungsregler diesen Schwingungen der erregung folgen
könnte, müßten die jeweils an der Umerregung unbeteiligten Polteile die Gesamterregung
ihres Wirkpols decken, was eine erhebliche Erhöhung ihrer Eisenquerschnitte mit
größerem Maschinengewicht und Raumbedarf zur Folge hätte.
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Demnach ist es vorteilhaft, die Polteilgruppen aus einer ungeraden
Anzahl von Polteilen zu bilden. In diesem Falle ist jeweils die Erregerspule des
zwischen zwei benachbarten Wirkpolen liegenden Polteils vorügergehend stromlos.
Dann wird die in Drehrichtung des Magnetfeldes unmittelbar vor ihr liegende Spule
stromlos gemacht, und sie selbst gleichzeitig mit Erregerstrom umgekehrter Polarität
gespeist. Dadurch werden die Wirkpole um eine Polteilsteigung im selben Sinne gedreht.
Erfolgt nun diese Umerregung der zwei benachbarten Polteilgruppen plötzlich, wird
der Vorgang zwar durch die Selbstinduktion der Erregerstromkreise und die Hysterese
der Magnetkreise gebremst, aber besonders bei kleinen Differentialdrehzahlen tritt
doch bei jeder Umerregung eine außerhalb der Regelfrequenz liegende Frequenzspitze
auf, die unerwünscht sein kann.
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Es ist daher vorteilhaft, die Umerregung in mehreren Stufen oder kontinuierlich
über die Dauer der Drehung des Erregerfeldes um eine Polteilsteigung auszudehnen.
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Dies kann beispielsweise durch stufenweise Einschaltung von angezapften
Widerständen in die Erregerkreise, oder durch Anzapfungen an Abschnitte der Erregerspulen
erfolgen. Auch kann eine kontinuierliche Ausdehnung der Umerregung durch entpsrechend
gesteuerte elektronische Verstärkungsmittel erreicht werden0
Die
programmgemäße Steuerung der umlaufenden Umerregung der Polteilgruppen wird durch
eigens dafür geschaffene Kommutierungsmittel bewirkt. Um diese Umerregung entsprechend
der jeweiligen Differentialdrehzahl erfolge zu lassen, werden beispielsweise durch
geeignete rotierende Vergleichsmittel Regeldrehzahl und Lcjufe r<relizahl einander
überlagert. Ferner kann beispielsweise eiroe elektronische gummierung der Steuerfrequenz
eines Oszillators und der durch einen Drehzahlgeber gemeldeten Lauferdrehzahl für
diesen Zweck ausgewertet werden.
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Derartigo Kommutierungsmittel können elektro-mechanischer Art sein.
beispielsweise kann eine entsprechende Einrichtung aus einer der am Läufer angebrachten
Polteilgruppen entsprechenden Anzahl von ringförmigen Bätzen von Kontakusegmenten
bentehen, die Koaxial sowohl hintereinander sowie mit ihm ortsfest am Läufer angebracht
sind, und die gegeneinander in Umgansrichtung jeweils um 360° geteilt durch die
Anzahl der verwendeten Polteilgruppen versetz-t sind. Die den folteilgruppen entsprechenden
Erregerspulengrrppen sind jeweils elektrisch mit den voneinander isolierten kontaktsegmenten
verbunden. Diesen wird jeweils durch positive und negative Kontaktbürsten in bezug
auf den Umfang an gleichen Stellen Erregerspannung zugeführt. Die Kontaktbürsten
werden durch einen Motor mi t Regeldrehzahl koaxial zum Läufer angetrieben und laufen
daher relativ zum Läufer mit Differentialdrehzal, mit; der dann die erstrebte Umerregung
der Polteilgruppen stattfinde-tX In ihrer einfachsten Form können die oben beschriebenen
Kontaktsegmente des Kommutators aus homogenen stücken leitenden Metalls bestehen.
Dann erfolgt die Umerregung momentan, wenn die Schleifbürsten das eine Segment;
ver-
lasseii und in Kontakt mit dem benachb-arten Segment treten.
Um jedoch die oben beschriebene stufenweise sinschaltung von Widerstandsabschnitten
zur Verzögerung der Umerregung zu bewirken, ist es vorteilhaft, einen Beil der Kommuta-torsegmen-te
aus homogenem Material bestehen zu lassen und gewisse zeile ihrer Kontaktflächen
in Umdangsrichtung mit geschichteten, voneinander isoliegen Leitern zu versehen,
die dann einer nach dem anderen mit den Widerslandsanzapfung verbunden sind.
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Diese Ausbildung gewährt den weiteren, besonders bei niedrigen oder
Nulldiggerentialdrehzahlen wertvollen Vorteil, daß bei etwa nur anschnäbelnden Kontaktbürsten
überhöhte Stromdichten vermieden werden.
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Im weiteren kann diese direkte elektro-mochanische Kommutierdng derart
verfeinert werden, daß dem Kommutator nur Sinalstrom zugeführt wird, as manche Nachteile
von kraftstrom führenden Bürstensystemen vermeidet und die Stromübetragung zwischen
Bürsten und Segmenten weitgehend erleichtert. Diese Signalströme werden dann zu
am Läufer angebrachten, vorzugsweise elektronischen Schaltmitteln geführt, die den
in herkömmlicher Weise dem Läufer zugeleiteten Erregerstrom programmgemäß auf die
Erregerspulen verteilen.
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Werner kann besonders bei großen Flughöhen eines Luftfahrzeugs die
auf Gleitkontakt oeruhende Kommutierung von KraSt- oder Signalströmen zu Schwierigkeiten
führen.
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Dann kann vorteilhaft ein dem im vorhergehenden beschriebener ähnlicher
Kommutator Verwendung finden, indem Annäherungsfühlspulen in den Polteilgruppen
entsprechenden Ringen am Läufer angebracht und metallische Auslöser kontaktlos an
ihnen koaxial mit Regeldrehzahl vorbeigedre-ht werden. Die dabei von den Fühlspulen
erzeugten
Signale steuern programmgemäß die Umerregungen über ein an dem Läufer angebrachtes
elektronisches Schaltnetz.
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Schließlich kann vorteilhaft elektro-optische Kommutierung verwendet
werden. Ein derartiges System besteht beispielsweise aus einer ringförmigen lichtquelle,
deren Strahlen parallel gerichtet werden, und die durch Öffnungen einer mit Regeldrehzahl
laufenden Blende auf eine sie teilweise abschirmende, koaxiale am Läufer angebrachte
Maske fallen. In Strahlenrichtung ist hinter der Maske ortsfest zu ihr ein System
von photo-elektrischen Zellen angebracht. Durch die mit Differentialdrehzahl über
die Maske laufenden Lichtstrahlen werden diese Zellen programmgemäß beleuchtet oder
dunkel gelassen, und durch dadurch bedingte Änderung ihres elektrischen Widerstands
werden Signalströme gesteuert, die über ein am Läufer angebrachtes elektronisches
Schaltnetz den in herkömmlicher Weise dem Läufer zugeleiteten Erregerstrom programmgemäß
auf die Erreger spulen verteilen.
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Mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtungen können in Parallelbetrieb
auf ein gemeinsames Netz geschaltet werden. Hierdurch wird eine steuerbare Gleitkupplung
zwischen den mechanischen Eingangsantrieb und den Läufer jedes zuzuschaltenden Generators
eingefügt. Zunächst wird nur ein Generator auf das Verbrauchernetz geschaltet und
speist es mit Wechselstrom von Regelfrequenz. Der zweite Generator läuft leer mit
beliebiger Drehzahl. Seine Kupplung wird vom Bedienenden genügend gelöst, so daß
eine ihm zugeschaltete Hilfslast den Läufer langsam gegen seinen mechanischen Antrieb
verdreht. Sobald die zwei Generatoren frequenz- und
phasengleich
laufen - ihre Spannungen werden ohnehin durch ihre Regler gleich gehalten -, wird
dies automatisch durch elektronische Mittel erfüllt und die Kupplung wird blockiert.
Auch wird dann automatisch die Hilfslast ab- und dieser zweite Generator auf das
gemeinsame Verbrauchernetz geschaltet. Weitere Generatoren können dann in gleicher
Weise aufs Netz geschaltet werden0 Um etwaiges Außertrittgeraten der Frequenz eines
derart parallelgeschalteten Generators zu verhindern, sollten die vergleichende
Regeldrehzahl erzeugenden Motoren aller zusammengeschalteten Generatoren von derselben
Stromquelle aus angetrieben werden.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert,- wobei ihr ein Generator mit vier Wirkpolen und fünf Polteilgruppen
zugrunde gelegt ist, der bei einer Regeldrehzahl von 12 000 U/min einen Wechselstrom
von 400 Hz erzeugt. Die Zeichnung zeigt in: Figur 1 einen schematischen Schnitt
durch Ständer und Läufer eines erfindungsgemäßen Generators mit seinem erregenden
Magnetfluß, Figur 2 das Schema der Figur 1 mit dem erregenden Magnetfluß zu einem
späteren Zeitpunkt, Figur 3 einen schematischen Schnitt durch Ständer und Läufer
eines erfindungsgemäßen Generators mit seinem erregenden Magnetfluß ähnlich Figur
1, Figuren 4 bis 7 das Schema gemäß Figur 3 mit dem erregenden
Magnetfluß
zu vier um jeweils ein Gleiches späteren Zeitpunktes in einer Art Zeitlupendarstellung,
Figur 8 eine perspektivische, schematische und auseinandergezogene Ansicht des elektro-mechanischen
Kommutators, Figur 9 in vergrößertem Maßstab eine vereinfachte Seitenansicht eines
Wirksegments des elektromechanischen Kommutators mit den weggebrochenen Enden der
benachbarten Segmente sowie schematisch seine Verbindungen zu den Anzapfungen eines
Vorwiderstandes im Erregerkreis, Figur 10 in schematischer Darstellung den elektrischen
Schaltplan der Kommutatorsegmente und der Erregerspulen bei direkter elektro-mechanischet
Kommutierung, Figur 11 eine perspektivische, schematische und auseinandergezogene
Ansicht eines elektro-optischen Kommutators, Figur 12 eine Darstellung der Schlitzblende
des elektrooptischen Kommutators, Figur 13 in schematischer Darstellung den elektrischen
Schaltplan des Zellenträgers, der Vorschaltwiderstände und der Erregerspulen bei
elektrooptischer Eommlltierung,
Figur 14 eine Darstellung der Maske,
Figur 15 zwei weggebrochene, vergrößerte Teile der in Figur 14 dargestellten Maske.
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In dem in Figur 1 wiedergegebenen Schema ist innerhalb des Erraftständers
4 von herkömmlichem Aufbau das Blechpaket des Läufers 1 drehbar gelagert. Nach Art
ausgeprägter Pole von herkömmlichen Dynamomaschinen trägt er in Umfangsrichtung
zwanzig Zähne 2 in gleichen Abständen voneinander. Die Polschuhe dieser Zähne 2
können eine Fortsetzung der Bleche bilden oder aus separaten Stücken bestehen. Die
Stege der Zähne sind von im gleichen Sinne gewickelten Erregerspulen 3 umgeben und
bilden zusammen mit diesen und den Polschuhen jeweils einen Polteil.
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Der erregende magnetische Fluß, der von den Polteilen ausgeht und
den den Läufer umgebenden Luftspalt sowie den Ständer 4 durchsetzt, ist durch gestrichelt
dargestellte Kraftlinien mit Richtungsanzeige versinnbildlicht. Die aus der Gesamterregung
je einer Gruppe benachbarter Polteile gleicher Polarität resultierenden Wirkpole
5 sind als doppelseitige kräftige Pfeile dargestellt. Die im Umpol-Zeitpunkt der
Darstellung stromlosen Erregerspulen 3 sind gestrichelt angelegte Figur 2 zeigt
das Schema der Figur 1 zum nächstfolgenden Umpolungszeitpunkt. Hierbei ist der Läufer
1 als gegen den Uhrzeiger laiifend und die Differentialdrehzahl als positiv, aber
als dem Läufer 1 vorlaufend angenommen.
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Durch die linksherum fortschreitende Umerregung ist jetzt die nächste
Polteilgruppe stromlos geworden, und die Wirkpole 5, und damit das ganze erregende
Feld, haben
sich um eine Polteilsteigung a gegen den Uhrzeiger
gedreht. Dies zeigt die magnetische Zustandsänderung bei unverzögerter Umerregung.
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In dem in Figur 3 wiedergegebenen weit vereinfachten Schema ist ähnlich
wie in Figur 1 innerhalb des Eraftständers das Blechpaket des Läufers drehbar gelagert.
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Das die Polteile, den Luftspalt und den Kraftständer als durchsetzend
angenommene Magnetfeld ist in diesem Fall bei maximaler Polteilerregung durch vier
gestrichelt gezeichnete Kraftlinien mit Richtungsanzeige versinnbildlicht, wobei
klarerer Darstellung halber die durch den Kern des Läufers verlaufenden und die
magnetischen Kreise schließenden Kraftlinien fortgelassen sind.
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Figur 3 zeigt ähnlich der Figur 1 den Erregungszustand zu dem Zeitpunkt
der Stromlosigkeit einer Spulengruppe und der unmittelbar bevorstehenden Umerregung
ihrer Polteile. Die Wirkpole sind durch die Symbole N und S gekennzeichnet.
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Figuren 4 bis 7 zeigen vier gegen den magnetischen Zustand in Figur
3 in Phasen gleicher Zeitdauer fortgeschrittene Erregungszustände. Die stufenweise
Umerregung hat jeweils eine stufenweise Verlagerung der Kraftlinien bewirkt, und
infolgedessen sind die Wirkpole relativ zum Läufer um 1/4, 2/4, 3/4 oder 4/4 der
Polteilsteigung a gegen den Uhrzeiger gedreht. Somit ist das erregende Magnetfeld
bei dieser Ausführung anstatt momentan in einem Schritt in vier gleichen Stufen
fortschreitend gegen den Läufer gedreht worden.
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Figur f zeigt in auseinandergezogener Weise den Aufbau des elektro-mechanischen
Kommutators. Fünf koaxiale, in Achsrichtung hintereinanderliegende Ringsätze von
je zwei Wirksegmenten 11 und zwei Blindsegmenten 12 sind voneinander isoliert ortsfest
am Läufer angebracht. Koaxial mit den fünf Sätzen je an einem ihrer Stirnseiten
trägt der Läufer einen positiven und einen negativen vollen chleifring 9. Diese
beiden Ringe sind, wie durch die Kontaktbürsten 10 versinnbildlicht, in herkömmlicher
Weise mi der äußeren Quelle des Erregerstroms oder des Signalstroms gleitend verbunden.
Zur Verdeutlichung sind leile einiger Wirksegmente 11 und Blindsegmente 12 sowie
eines Schleifringes abgebrochen dargestellt.
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Innerhalb dieser Segmentsätze läuft koaxial zu ihnen eine REgelwelle
7. Zur Erleichterung der hier nicht gezeigten l.äuferlagesung kann sie unter Umständen
als Hohlwelle ausgebildet werden. Sie trägt zwei gegeneinander um 900 versetzte
Paare von Regelbürsten 8, die von ihr isoliert sind. Diese Paare sind axial gegeneinander
versetzt, so daß das eine in Reibkontakt mit dem positiven Schleifring 9 steht und
das andere entsprechend mit dem negativen Schleifring 9. Leichte Federn sind vorgesehen,
welche die Regelbürsten 8 zusätzlich zu ihrer Fliehkraft nach außen drücken. Für
die Kommutierung würden die im halbkreis nebeneinanderliegenden zwei Wirksegmente
11 je Segmentsatz ausreichen. Daher sind die Blindsegmente 12 elektrisch nicht unbedingt
erforderlich, sie verbessern aber die präzise mechanische Führung der Regelbürsten
8.
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Die die Regelbürsten 8 tragende, von ihnen isolierte Regelwelle 7
wird von einem selbststartenden synchron laufenden Regelmotor 6 oder direkt über
ein Zwischengetriebe mit Regeldrehzahl in Drehrichtung des Läufers 1
angetrieben
und liefert somit die benötigte Jargleichsdrehzahl. Die Stromversorgung des Regelmotors
8 mit der benötigten Frequenz erfolgt entweder durch eine Gleichstrombatterie oder
durch gleichgerichteten Hotzstrom, wobei in jedem Fall ein statischer Umformer zwischangeschaltet
ist.
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Ferner zeigt Figur 8 den Läufer 1, die mit den von Erregerspulen umgebenen
Zähne 2 und das Isolierrohr 18, das die Kommuntatorelemente aufnehmen kann.
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Figur 9 zeigt die Seitenansicht eines Wirksegments 11 und seine Verbindungen
mit den Anzapfungen des einer Erregerspulengruppe vorgeschalteten Widerstandes.
In Umfangsrichtung fortgesetzt zeigt Figur 9 auch die weggebrochenen Enden des benachbarten
Wicksegments und, in bezug auf den Umfang entgegengesebzt, auf seiner anderen Seite
das ebenfalls weggebrochene Ende eines Blindsegments 12.
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Dem Segmentkern 13 aus einem homogenen Stück gut leitenden Materials
sind in Umfangsrichtung an beiden Enden je ein Paket aus voneinander isolierten
Leitblechen 14 angelagert. Diese bestehen aus gut leitendem Material. Die Ausdehnung
des Pakets in Umfangsrichtung an der Innen-, d.h. der Kontaktseite, ist eine Polteilsteigung
a. Die Leitbleche 14 werden durch isolierte Halteschrauben 15 am oegmentkern 13
gehalten. An diesen Leitblechen sind Verbindungen mit den Widerstandsanzapfungen
angebracht. Die die Widerstände kurzschließende Leitung ist unter der Kontaktschraube
17 an den Segmentkern 13 geklemmt. Die Halteschrauben 16 befestigen das Wirksegment
in dem Isolierrohr 18.
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figur 10 zeigt in ihrem oberen eil in schematischer Darstellung fünf
ringförmige egmentsät;ze eines elektromechanischen Kommutators und in ihrem unteren
Teil die mit den Segmenten verbundenen Erregerspulen 3. Die Vorschaltwiderstande
sind in dieser Darstellung fortgelassen; die Figur deutet lediglich durch gestrichelte
Linien den Platz der Leibbleche an, falls die Wirksegmente 11 zu stufenweiser Umerregung
mit solchen versehen sind.
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Jeder Segmentsatz besteht aus zwei benachbarten Wirksegmenten 11 und
zwei ihnen gegenüberliegenden Blindsegmenten 12. Die Regelbürsten sind im Zeitmoment
der Um; erregung der zu links oberst dargestellten Segmentgruppe gehörigen Polteilgruppe
dargestellt. Die Richtung des in allen Erregerspulen zu diesem Zeitpunkt fließenden
Erregerstrom ist durch Pfeile versinnbildlicht. Die Figur 10 erliutert die Verbindung
zwischen dem elektrischen und magnetischen Verhalten der Polteile.
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Figur 11 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines elektrooptischen Kommutators.
Die Schlitzblende 21 ist auf der Regelwelle 7 angebracht, die vom Regelmotor 6 direkt
oder iiber ein Getriebe mit Regeldrehzahl im Sinne der Drehung es Läufers 1 angetrieben
wird. Lichtstrahlen aus der Lichtquelle 20 werden in dem Strahlenleiter 23 parallel
gerichtet Dieser kann beispielsweise aus einem parallelen Wabensystem oder einem
Bündel von optischen Fasern bestehen. Die durch die Öffnungen der Schlltzblende
21 tretenden rotierenden Lichtprismen, welche die Vergleichsdrehzahl liefern, laufen
mit Differentialgeschwindigkeit über die Maske 24, welche sie programmgemäß beschneidet
und die unabgeschirmten Strahlen auf die photo-elektrischen Zellen des Zellenträgers
26
fallen läßt. Maske 24 und Zellenträger 26 sind ortsfest mit
dem Läufer 1 verbunden. Das Schaltungsrohr 27 is-t ortsfest am Läufer 1 angebracht.
Nach Art herkömmlicher flacher Platinen trägt es eine gedruckte Schaltung und elektronische
Schaltungselemente, die gegen die auftretenden Fliehkräfte gesichert sind. Falls
notwendig, können auch mehrere derartiger Rohre Ironzentrisch angeordnet werden0
Bei diesem Beispiel sind die Widerstände 19 innerhalb des Läufers 1 ortsfest untergebracht.
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Figur 12 zeigt die aus einer relativ dünnen Scheibe bestehende Schlitzblende
mit zwei sich nach außen unter dem gleichen Winkel erweiternden Schlitzen in ihrem
sonst lichtundurchlässigen Material, wobei die schlitze aber auf die Blende fallende
Lichtstrahlen ungehindert hindurchtreten lassen. Diese bilden zwei Strahlenprismen.
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Figur 13 zeigt in ihrem oberen Teil den aus Isoliermaterial hergestellten
Zellenträger 26, der auf seiner vorderen, den auffallenden Lichtstrahlen zugewandten
Fläche mit photo-elektrischen Zellen 25 bestückt ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel finden solche Zellen Verwendung, die
bei ausreichendem Lichtauffall ihren elektrischen Widerstand von sehr hohen auf
sehr niedrige Werte ändern. Sie befinden sich in fünf, den Polteilgruppen entsprechenden
konzentrischen Ringen A bis S. Alle fünf Ringe sind nach dem gleichen Muster angeordnet,
aber sie sind jeweils um 3600/5 1 720 gegeneinander versetzt; auch nimmt ihre Jeweilige
radiale Breite nach innen proportional ihrem Radius ab, um die Widerstände der Zellen
in verschiedenen Ringen bei konstantem Beleuchtungswinkel gleich zu halten. Je nach
ihrer programmgemäßen Aufgabe sind die mit photo-elektrischen Zellen 25
bestiickten
Ringsegmente von erheblich differierenden Winkellängen. Wo diese Länge die Breite
von industriell erhältlichen photo-elektrischen Zellen übersteigt, wird eine entsprechende
Anzahl kürzerer, dicht; nebeneinander liegenden trapezförmigen Plättchen verwendet.
In der Figur ist die Bestückung mit derartigen Zellen durch Scirs ffierung angezeigt.
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Die elektrischen Verbindungen zu den photo-elektrischen Dellen 25
erfolgt von der rückseite des Zellenträgers 26.
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Die neuleitung des Signalstroms führt über einen jeweils den Ringen
A bis E gemeinsamen, in ihrer Mitte liegenden Leiter, und die Ableitungen der individuellen
Signale werden geführt wie in Figur 13 gezeigt. Für den Ring A sind sie durch die
Symbole 1 bis 7, sowie Ul und U2 gekennzeichnet, für die Ringe B bis E sind diese
auf dem Zellenträger der klareren Darstellung halber weggelassen, sie sind aber
analog zu denen des Hinges A.
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Die stark st-rich-punktierte Linie versinnbildlicht das mit Regeldrehzahl
umlaufende Strahlenprisma 22. In diesem Beispiel ist der Fall angenommen, daß die
Drehzahl des gegen den Uhrzeiger laufenden Läufers höher als die Regeldrelizahl
ist, und somit die Differentialdrehzahl negativ wird und infolgedessen die Strahlenprismen
22 rechts herumlaufen.
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Zwei benachbarte Quadranten der Segmentringe A bis E besorgen jeweils
die Signalgebung für die Schaltung der Widerstandsan zapfungen, während die anderen
zwei, ihren gegenüberliegenden Quadranten den Umpolungssignalen der Erregung dienen.
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Von den photo-elektrischen Zellen 25 laufen die zi Polen Widerständen
gehörigen Signalleitungen zu schal teIlden Transistoren, die der einfachen Darstellung
halber in Figur 13 als herkömmliche Relais versinnbildlicht; sind.
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Sie schließen und bleiben geschlossen, solange ihnen Zündstrom zufließt.
Widerstände und ihre Schaltmittel sind im links unteren Teil der Figur dargestellt.
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Die von diesen schaltenden Transistoren prorammgemäß gesteuerten Erregerströme
werden jeweils zu einem zu den Polteilgruppen A bis E gehörigen Umpolsystem geleitet,
die im rechts unteren Teil der Figur 13 dargestellt sind. Sie bestehen aus Halbleitern,
die von den entsprechenden photo-elektrischen Zellen 25 der halbringe A bis E, im
Gegensatz zu einem andauernden Zündungssignal abgehackte Signaiströme U1 oder U2
empfangen, diese wie Impulse behandeln und daraufhin durch das zugehörige Umpolsystem
Strom in ihren Erregerspulen 3 im Läufer umpolen.
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Die in Figur 13 dargestellte Schaltstellung entspricht; dem Zeitpunkt,
zu dem eines der, wie schon erwähnt, relativ zum Läufer als im Uhrzeigersinne laufend
angenommene Strahlenprisma 22 gerade begonnen hat, das umpolende photo-elektrische
Zellensegment U2 des Ringes A zu beleuchten. Das andere Strahlenprisma 22 beleuchtet
Zellen A1 und E6, während B7, C7 und D7 noch von der vorigen Phase her beleuchtet
geblieben sind. Der entsprechende Signalimpuls hat also gerade zur Umpolung der
rregerspulengruppe A geführt, Ferner beginnt jetzt die Erregung in Polteilgruppe
A zu wachsen, während sie in Polteilgruppe E abzulclingen beginnt. Die Erregung
in Gruppen B, C und D ist in Stärke und Richtung erhalten geblieben.
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Figur 14 zeigt eine Aufsicht auf die Maske 24. Sie rahmt die hinter
ihr in trahlenrichtung liegenden photo-elektischen Zellen ein und gestattet diesen
dadurch eine erlappung miteinander, die in der praktischen Ausführung kaum vermeidbar
wäre. Dadurch ist eine präzise Programmierung des Betriebsablaufs möglich. Auch
schneidet die Maske etwa noch verbliebene Sei-tenstreuungen der Lichtprismen ab.
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Figur 15 zeigt in ihrem oberen Teil zwei zu demselben Segmentring
gehörige Öffnungen der Maske 24, hinter denen photo-elektrische Zellen liegen, die
schaltende Transistoren von Widerstandsanzapfungen steuern. Damit vermieden wird,
daß ein Transistor abschaltet, ehe der folgende eingeschaltet hat, was bei niedrigen
Differentialdrehzahlen zum Zusammenbruch der zugehörigen Erregung führen könnte,
wird die Winkelbreite b des Strahlenpremas 22 derart gewählt, daß die der Winkelbreite
C entsprechende Beleuchtung der betreffenden photo-elektrischen Zelle ausreicht,
einen den Transistor zündenden Signaistrom auszulösen. Das kann einen ganz kurzzeitigen
Kurzschluß eines Widerstandsabschnittes bewirken, der aber als unerheblich in Kauf
genommen werden kann.
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In den Umpolsystemen jedoch wäre ein derartiger Kurzschluß nicht annehmbar,
und daher sind diese derart geschaltet, daß ihre Halbleiter auf Signalimpulse und
nicht auf den Transistor in Schließstellung haltende Signalströme ansprechen. Im
unteren Teil der Figur 15 ist im selben Maßstab wie im oberen ein vergrößerter Maskenausschnitt
gezeigt, der gegen diesen um 1800 versetzt ist.
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Der in den Umpolsegmenten die Impulse voneinander trennenden Dunkelstreifen
d ist bei gleichgebliebener Winkel-
breite b des Strahlenprismas
22 derart bemessen, daß ein Abklingen des vorhergehenden Signalstroms unter die
Reiz schwelle der zugehörigen Halbleiter sichergestellt ist, ehe der neue Signalstrom
die Reizschwelle der umschaltenden Halbleiter erreichen kann.
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Die Erfindung ist gleichfalls für Wechselstromgeneratoren anwendbar,
die eine andere Zahl von Wirkpolen oder Polteilen je Wirkpol haben sowie Wechselstrom
anderer konstanter Frequenz und auch mit anderer ltegeldrehzahl erzeugen.
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An sprüche