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Synchronmaschinen mit zweifacher Erregung und Wechsel-
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magnetisierung für lineare und rotatorische Anordnung
Der
Stand der Technik Der Einsatz elektrischer Maschinen in der Antriebstechnik hängt
wesentlich von den Maschinenabmessungen und der Güte der Energieumwandlung ab. Zwischen
Betriebsverhalten und Materialaufwand bestehen enge Beziehungen. Zur Lösung von
Antriebsaufgaben werden vielfach zusätzliche Bedingungen gestellt, wie z.B. die
Vermeidung von Schleifringen zur Stromübertragung auf den Rotor sowie die Forderung
nach einem einfachen Rotoraufbau, so daß hohe Umfangsgeschwindigkeiten erzielt werden
können. Hoher Wirkungsgrad und hohe Materialausnutzung sind im allgemeinen konträre
Bedingungen; sie lassen sich allerdings bei Maschinen großer Leistungen und hoher
Umfangsgeschwindigkeit besser vereinbaren, als im Falle kleiner Antriebsleistungen.
Bei kleineren Leistungen fällt es im allgemeinen sehr schwer, Materialausnutzung
und Energieumwandlungsgüte gemeinsam auf Werte zu steigern, wie sie etwa bei großen
Kraftwerksgeneratoren erzielbar sind.
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Auch im Bereich der Linearantriebe für neue Transportkonzepte erweist
sich bei Leistungen bis hinauf zu 10 MW die Problematik, daß Wirkungsgrad und Leistungsfaktor
im Vergleich zu den Idealwerten zu niedrig sind. Besonders bei kleineren Leistungen,
wie sie bei Fahrzeugen mit kleinerem Volumen und mittleren Geschwindigkeiten gegeben
sind, erwies sich bisher die Vielzahl der untersuchten Antriebsvarianten insbesondere
beim fahrzeuggebundenen Antrieb (Kurzstatorantrieb) als noch nicht befriedigend.
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Die bekannten Vorschläge zur Ausführung eines Linearantriebes auf
der Grundlage der asynchronen Variante leiden alle unter dem nachhaltig ungünstigen
Einfluß des im Vergleich zur Polteilung großen magnetisch wirksamen Spaltes, der
Leistungsfaktor und Wirkungsgrad erheblich verringert. Selbst bei Geschwindigkeiten
bis 500 km/h und entsprechend großer Motorleistung sind die charakteristischen Daten
des Betriebsverhaltens unbefriedigend. Auch die Synchronvariante der Antriebsmotoren
konnte den
ursprünglich in sie gesetzten Erwartungen nicht gerecht
werden.
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Insbesondere war hier der Wirkungsgrad deutlich schlechter als erwartet.
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Es wurde versucht, synchrone Linearmotoren der Kurzstatorbauform in
homopolarerAusführung etwa entsprechend dem in ETZ-A Januar 53, Seite 11 - 14 gemachten
Vorschlag zu bauen. Dieser Vorschlag zeichnet sich dadurch aus, daß auch an eine
kombinierte Erzeugung von Trag- und Vortriebskräften gedacht werden kann.
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Das Prinzip der homopolaren elektrischen Maschinen ist auch aus dem
Bereich rotierender Maschinen bekannt. Es wird dort vorwiegend beim Bau von Mittelfrequenzgeneratoren
angewendet. Charakteristisch sind für dieses Bauprinzip ein gemeinsamer Erregerkreis
mit einer Erregerspule und eine Flußführung transversal, d.h. quer zur Bewegungsrichtung.
Die Amplitude des wellenförmigen Anteils des Luftspaltflusses, der durch magnetisch
leitfähige Elemente der Schiene erzeugt wird, ist in seiner Größe nennenswert geringer
(ungefähr 30 - 50 %) im Vergleich zum Maximalwert der Flußdichte.
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Durch die Relativbewegung der in linker und rechter Statorhälfte auf
Lücke stehenden Rückschlußelemente der Schiene kommt die Bewegung der Feldwelle
vom Stator aus zustande. Die Ströme, die der Statorwicklung zugeführt werden, müssen
eine Frequenz aufweisen, die der Wanderungsgeschwindigkeit der Feldwelle entspricht,
um eine Schubkraft konstanter Größe zu erreichen. Die beiden Teilstatoren (entsprechend
Bild 9 ETZ-A 53, Seite 14) können eine gemeinsame Wicklung tragen, da die Feldwellen
gleichphasig zugeordnet sein können.
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Für Linearantriebe gilt es, eine ausreichende Vortriebskraft F x und
eine je nach Anwendungsziel kleine oder große Normalkraft F y bei begrenztem Gewicht
des Motors (und der Traganordnung) bei kleinen Verlusten der Wicklung sowie einem
hohen Leistungsfaktor (nahe 1) zu erzielen. Die oben erwähnte Anordnung muß dieses
Ziel verfehlen, weil für die Dimensionierung der Statorwicklung und des Eisenkreises
sehr ungünstige Bedingungen bestehen. Vom magnetischen Fluß der linken und rechten
Magnethälfte werden nur die Schwankungsanteile zur Schubkraftbildung ausgenutzt,
während der
Eisenkreis für die mehr als doppelt so großen Maximwawerte
bemessen sein muß, so daß schmale und tiefe Statornuten angeordnet werden müssen.
Die schwache Ausnutzung des magnetischen Flusses für die Vortriebsbildung bedeutet
ein ungünstiges Verhältnis FX/Fy. . Sie bedeutet weiter, den Zwang große maximale
Flußdichten erreichen zu müssen, so daß auch für die Erregerwicklung große Durchflutungen
und beträchtliche Wicklungsquerschnitte resultieren. Die beengte Dimensionierungsmöglichkeit
für die Statorwicklung bedeutet auch dort den Zwang, hohe Stromdichten ausführen
zu müssen, so daß in beiden Wicklungen nennenswerte Verluste auftreten. Ganz besonders
im Falle eines Motors mit regelbaren Normalkräften zum Einsatz bei magnetischen
Schwefahrzeugen stört die beengte Auslegung des magnetischen Kreises, weil dort,
durch die maximale Kraft bedingt, ein zusätzlicher Steuerhub für den magnetischen
Fluß berücksichtigt werden muß.
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Grundvoraussetzung für eine verbesserte Auslegung ist eine günstigere
Ausnutzung des magnetischen Flusses im Bereich der Statorwicklung. Vor allem muß
erreicht werden, daß im Wicklungsbereich die maximal auftretenden Flußdichten möglichst
gleich sind mit der die Vortriebsbildung bestimmenden nutzbaren Amplitude der Induktionswelle.
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Synchronmaschine mit zwei homopolaren Erregeranordnungen Die Nachteile
des einfachen homopolaren magnetischen Kreises für die Bemessung einer vortriebsstarken
Drehstromwicklung lassen sich beseitigen, indem zwei Erregeranordnungen verwendet
werden, die im Bereich der Drehstromwicklung zusammen mit einer entsprechend auszubildenden
Rückschluß schiene ein reines (heteropolares) Wanderfeld erzeugen. Hierdurch kommen
für die Schubbildung bzw. die Erzeugung der in der Wicklung induzierten Spannung
die Maximalwerte der Flußdichten voll zur Geltung. Bild 1 zeigt die Anordnung des
aktiven Motorteiles (unten) und der ferromagnetischen Schiene (oben). Als Erregeranordnung
sind Permanentmagnete (1) angenommen, die verlustlos magnetischen Fluß erzeugen.
Die Magnete sind über die ganze Motorlänge kontinuierlich in gleicher Polarität(homopolar)verteilt.
Der Eisenkörper des aktiven Motorteiles besteht
aus vielen Teilpaketen
(2), die im Beispiel des Bildes 1 dem Querschnitt eine E-Form geben. Die Teilpakete
lassen sich aus einzelnen Dynamoblechen schichten, wobei die Blechebene der Ebene
der Feldlinien entspricht. Auch die Anordnung von Eisenpulver-Preßteilen erscheint
möglich. Die magnetische Leitfähigkeit des Eisenkörpers ist auf die Querebene zu
beschränken; magnetisch leitfähige Verbindungen in Längsrichtung sind zu vermeiden.
Im Bild 1 sind unten Spulen der Drehstromwicklungen eingezeichnet (3). Sie bilden
eine dreiphasige Wicklung in einer Einschichtanordnung. Die Flußführung entspricht
der im Bild 1 oben gezeichneten Form der Schiene (4) (die aus zeichnerischen Gründen
mit großem Abstand gegenüber dem Anker dargestellt wurde). Das Muster der Flußverteilung
wandert in Bezug auf den Wicklungsteil des Motors mit der Relativgeschwindigkeit
der Bewegung zwischen Schiene und Wicklung. Die Einschichtanordnung der Wicklung
entsprechend Bild 1 ist im Schema von Bild 2 verdeutlicht, wobei R,S,T die drei
Phasen einer Drehstromwicklung bedeuten und die Anordnung der Spulen in zwei übereinanderliegenden
Schichten vorgesehen ist. Im Wickelkopfbereich können die Spulen dicht übereinander
angeordnet werden, wie auch in Bild 1 angenommen wurde. C bezeichnet die Poltielung.
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Als Wicklung kann abweichend von den gezeichneten Vorschlägen zweckmäßig
auch eine Zweischichtwicklung verwendet werden. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit,
anstelle der Dreiphasenwicklung eine Einphasenwicklung anzuwenden.
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Die Schubkraft wird im Mittelteil des Motors gebildet, während die
außerhalb der Wicklung angeordneten Eisenelemente nur der Führung des magnetischen
Feldes dienen. Da in ihrem Bereich keine Wicklung eingelegt ist, kann ihre Paketbreite
(Längsrichtung) etwas stärker bemessen werden, wodurch die seitliche Ausdehnung
sich im Vergleich zum Motormittelteil verringert.
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Entsprechend der angewandten maximalen Flußdichte im Motormittelbereich,
die niedriger liegen kann, als bei einer konventionellen homopolaren Anordnung des
Motors, kann die Drehstromwicklung mit verhältnismBig breiten Nuten und dadurch
auch verlustarm bemessen werden. Die Wicklungsverluste im
Erregerkreis
sind bei Anwendung der Permanentmagnete ganz vermeidbar. Der Bereich, in dem Wechselmagnetisierung
des Eisens auftritt, entspricht im wesentlichen dem Raum zwischen den Permanentmagneten;
außerhalb dieses Bereiches erfolgt die Magnetisierung jeweils nur in einer Richtung
und das Feld pulsiert in diesem Raum.
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Bild 3 zeigt im Ouerschnitt die Anordnung von Ankerteil und Schiene,
wobei die rechts gezeichneten Feldlinien (strichpunktiert) den rechtsseäigen Schienenansätzen
SR entsprechen.
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Die links gezeichnete Feldlinie existiert nur im S¢hienenbereich SL
und ist in Längsrichtung um eine Polteilung (1800er) verschoben. Für die Ausbildung
der Schiene kann wie in Bild 1 gezeichnet, von einem in der Breite etwa dem Wicklungsteil
entsprechenden durchgehenden Mittelteil ausgegangen werden. Es ist aber auch möglich,
einzelne in Längsrichtung nicht zusammenhängende Elemente zu verwenden. Von Bedeutung
ist im Hinblick auf das magnetische Feld eine Fluß führung in der Ebene quer zur
Bewegungsrichtung. Da in Längsrichtung auf eine Flußführung völlig verzichtet werden
kann, ist eine Unterteilung der Lamellen in Teillängen, die kleiner als die Polteilung
sind, möglich. Werden diese elastisch mit einander verbunden, so kann ein sehr flexibler
Bandantrieb entstehen.
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Soll vom aktiven Teil des Motors aus auch eine Regelung der Normalkraft
oder eine stellbare Beinflussung dieser Kraft vorgesehen werden, so kann mit Bild
4 die Wirkung der flußerzeugenden Permanentmagnete durch eine stromführende Wicklung
ergänzt werden. Eine wie in Bild 4 angenommene Stromrichtung verstärkt die Wirkung
der Permanentmagnete, die entgegengesetzte Stromrichtung würde eine Schwächung hervorrufen.
Durch Verbindung mit einem Regelkreis und einem elektronisch beinflußbaren Stromsteller
kann nun der Spalt zwischen Schiene und Motor konstant gehalten werden. Hierbei
kann es nützlich sein, eine Verringerung des magnetischen Widerstandes im magnetischen
Kreis der Erregerspule dadurch herbeizuführen, daß die Permanentmagnete in
Magnetisierungsrichtung
schlank und im Vergleich zum Mittelteil des Motors in der anderen Richtung länger
ausgeführt werden. Es tritt dann im Wicklungsbereich eine höhere Flußdichte auf
als im Bereich des Magneten.
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Besteht die Aufgabe, große Vortriebskräfte mit nur geringer Normalkraft
zu erzeugen, so kann eine andere Form des Motors sich als günstiger erweisen (Bild
5). Hierbei sind die seitlichen Ansätze an die Permanentmagnete (entsprechend Bild
1) vermieden; sie sind in die Schiene (das passive Motorteil) hineinverlegt worden.
Im Kopfteil der Wicklung wird durch einen seitlich verbreiterten Zahn die Flußdichte
des Luftspaltes verringert, so daß der entsprechende magnetische Widerstand sinkt,
und die Normalkräfte (die proportional der Flußdichte im Quadrat sind) zurückgehen.
Im Vergleich zur Anordnung nach Bild 1 geht das Gewicht des aktiven Motorteiles
zurück. Da die homopolaren Feldbereiche bei dieser Anordnung auf ein Minimum reduziert
worden sind, ergibt sich jetzt auch ein nachhaltig vergrößerter Wert für Materialausnutzung.
Zum Unterschied von E-förmigen Konfigurationen des Bildes 1 wird allerdings für
die Schiene ein etwas größerer Materialaufwand benötigt.
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Die E-förmige Motorform eignet sich offenbar sehr gut für Antriebe,
bei denen ein günstiges Betriebsverhalten (hohes Produkt aus Wirkungsgrad und Leistungsfaktor)
und gleichzeitig große Normalkräfte etwa zum Tragen eines Fahrzeuges erwartet werden.
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Sie könnten in der modifizierten Anordnung des Bildes 4 zu einer kombinierten
Trag- und Vortriebsbildung mit beidseitig über die Fahrzeuglänge annähernd gleichmäßig
verteilten Motorelementen eingesetzt werden. Hierbei ist der erforderliche Schub
je Längeneinheit klein, so daß auch das notwendige Wicklungsvolumen für die Vortriebsbildung
gering ist. Auch die beidseitig auszuführende Schiene ist im Preis günstig. Da bei
massivem Material Wirbelstromeffekte den Feldaufbau am Motoreintritt verzögern,
wird dort die Schub- und Tragkraftbildung etwas vermindert. Diese kann jedoch im
Hinblick auf die verjältnismäßig langen Motoreinheiten als wenig problematisch angenommen
werden. Eine Unterteilung
der Schiene in einzelne Stahllamellen,
die elektrisch voneinander isoliert sind, führt zur Unterdrückung des Endeffekts.
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Motoren mit der E -förmigen Schiene nach Bild 5 weisen eine verhältnismäßig
geringe Streuung der Statrowicklung auf und sind damit auch für große Strombeläge
und große Schubkräfte je Längeneinheit geeignet. Der Motor kann so entworfen werden,
daß er in der Lage ist, auf einem Bruchteil der Fahrzeuglänge die geforderte Schubkraft
aufzubringen. Damit besteht die Möglichkeit, nur mit einer Antriebsschiene (einseitig
oder als Mittelschiene) auszukommen. Bei hohen Geschwindigkeiten kann sich eine
Unterteilung der Schiene zur Unterbrechung von Wirbelstrombahnen als nützlich erweisen.
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Bild 6 deutet darauf hin, daß bei Verwendung einer für große Schubkräfte
ausgelegten t-förmigen Schiene auch die Möglichkeit besteht, an den horizontalen
und vertikalen Flächen der Schiene mit einer integrierten Anordnung die Trag- und
Führkräfte des Fahrzeuges zu erzeugen.
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Es handelt sich hierbei um eine Anordnung, bei der z.B. von 2 Permanentmagneten
sowohl im oberen als auch im seitlichen Bereich ein magnetischer Grundfluß erzeugt
wird. Die Spule T erzeugt in Verbindung mit einem entsprechenden Regelkreis die
zur Stabilisierung des Schwebevorganges in vertikaler Richtung nötigen magnetischen
Zusatzflüsse. Linke und rechte Führspule FL und FR erzeugen die notwendigen Regelkomponenten
des seitlichen Führflusses. Im Falle einer derartigen Kombination kann die Führkraft
auf einer Seite des Fahrzeuges (oder in der Mitte) erzeugt werden, so daß die übrigen
Schienen bzw. die zweite Schiene nur der Tragkraftbildung zu dienen haben.
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Den beschriebenen Konstruktionsvarianten ist gemeinsam, daß sie im
Vergleich zu den bisher bekannten synchronen oder asynchronen Antriebsmotoren wesentlich
günstigere Werte für das Produkt Wirkungsgrad x Leistungsfaktor zu erzielen gestatten.
Da im Vergleich zu den bisher eingesetzten asynchronen Linearmotoren hierdurch eine
nennenswerte Verringerung der Scheinleistung etwa
auf den halben
Wert erreichbar scheint, folgen unmittelbar Vorteile für die Bemessung der Frequenzumrichter.
Die Energieversorgung wird damit nennenswert wirtschaftlicher. Außer den hiermit
direkt in Verbindung stehenden geringen Investitionsanteilen verringern sich mit
dem günstigeren Wirkungsgrad Energie- und Betriebskosten.
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Um auf die Möglichkeit einer völligen Normalkraft-Neutralisierung
durch eine symmetrische Motor-Schienen-Anordnung hinzuweisen, wurde in Bild 7 ein
Querschnitt dargestellt, bei dem sich der magnetische Kreis an der Mittellinie der
Ankerwicklung spiegelt.
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Bei zentrischer Lage des Motor-Mittelteils gegenüber der Schiene ist
die resultierende Normalkraft null. Die Permanentmagnete je einer Schienenseite
sind magnetisch hintereinander geschaltet.
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Die Schienenelemente sind links und rechts um eine Polteilung versetzt
und können auf einem gemeinsamen C -förmigen Träger montiert sein.
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Rotierende Maschinen Die bisher beschriebenen Beispiele zeigen die
Vorteile der Zweifacherregung und Wechselmagnetisierung bei linearen Antrieben.
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Ein Motor, bei dem die Erregeranordnung in den Anker hineinverlegt
wurde, weist generell den Vorzug eines sehr einfachen zweiten Maschinenteiles auf.
Dieses Maschinenteil ist passiv; es trägt keine Magnete und Wicklungen und erfüllt
nur die Aufgabe des mit der Bewegung wandernden Rückschlusses für die Feldlinien
des Erregerteiles.
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Bei rotierenden Maschinen mit einem längs des Umfangs geschlossenen
Anker/Erregerteil kann der Rotor sehr einfach aus magnetisch leitfähigem Stahl bestehen.
Scheiben oder Zylinderformen erweisen sich im Hinblick auf die Fliehkräfte als besonders
günstig. Im Gegensatz zur linearen Anordnung treten bei der rotierenden Maschine
keine Endeffekte auf, da die einzelnen Elemente des Rotors sich immer in demselben
Magnetisierungszustand befinden. Hier treten also aus diesen Gründen keine Probleme
mit Wirbelstromeffekten im massiven Eisen des Rotors auf. Gegen die evtl. infolge
der Nutung des Ankers hervorgerufenen Feldschwankungen und die von ihnen ausgelösten
Oberflächenverluste im Rotor kann eine feine Riffelung der Oberfläche angewendet
werden.
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Eine mögliche Konstruktionsform des Läufers, bei der davon ausgegangen
wurde,-daß die Schiene des Bildes 1 zu einem Zylinder aufgerollt wird, zeigt Bild
8. Es sind seitliche Stirnplatten mit Wellenstummeln angenommen, so daß ein Teil
der Fliehkräfte des Zylinderteiles auch von den Stirnplatten aufgenommen werden
kann.
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Das Charakteristikum der hier beschriebenen Maschine ist die zweifache
Erregeranordnung und die von ihr abgeleitete Wechselmagnetisierung
der
Ankerwicklung. Hieraus resultiert eine besonders verlustarme Ausführung der Maschine.
Zu einer noch intensiveren Materialausnutzung gelangt man, wenn die bevorzugt aus
Permanentmagneten bestehende zweifache Erregeranordnung doppelseitig durch zwei
Wicklungen in Verbindung gebracht und genutzt wird. Eine solche Anordnung, die dann
zweckmäßig in der Scheibenform gestaltet wird, benötigt insgesamt weniger Material
als zwei komplette Einzelanordnungen.
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Bild 9 zeigt das Schnittbild. Die Bilder 10a und 10b stellen für zwei
verschiedene Zeiten die Feldverteilung dar. Der Zeitunterschied für beide Bilder
entspricht der Wegstrecke einer Polteilung. Die zugehörigen Feldverteilungen lassen
erkennen, daß bei der Doppelanordnung der Statorwicklungen die Erregereinrichtungen
für jede Halbwelle der Spannung (entweder links oder rechts) genutzt werden. Das
weichmagnetische Material zur Flußführung im Erregerkreis braucht durch diese Doppelnutzung
der Magnete nur geringfügig ergänzt zu werden. Man erkennt weiter, daß die Scheibenform,
die am äußeren Rand "gezahnt" und im inneren Bereich, versetzt zu den Zähnen, eine
Lochreihe enthält, günstige Bedingungen für hohe Umfangsgeschwindigkeiten aufweist.
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Demgemäß lassen sich durch die beschriebene Anordnung sehr hohe Leistungen
je Volumeneinheit erzielen. Als besonders vorteilhaft erweist sich bei der doppelseitigen
Ankerwicklung, daß beide Wicklungen im Querschnitt von gleichphasigen Strömen durchflossen
werden, so daß der gesamte Mittelbereich feldfrei und damit sehr streuungsarm ist.
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Von Vorteil im Hinblick auf Zusatzverluste im Magnetmaterial ist hier
der gleichbleibende Magnetisierungszustand.
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Die Betriebsweise rotierender Maschinen der beschriebenen Bauform
schließt Motor- und Generatorbetrieb ein. Für bestimmte Anwendungen, bei denen eine
Stellbarkeit des Erregerfeldes erwünscht ist, kann entweder zusätzlich zu den Permanentmagneten
eine Spulen-Erregung oder ausschließlich eine Erregung mit Hilfe elektrischer Ströme
Verwendung finden.
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Die am Beispiel des rotierenden Motors beschriebene Doppelerregeranordnung
mit
zweiseitiger Ankerwicklung ist in gleicher Weise als Linearmotor ausführbar und
geeignet. An die Stelle der beiden Scheibenläufer treten zwei entsprechende Schienen,
zwischen denen sich das kombinierte Anker/Erregerteil bewegt.
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