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Elektrische Maschine, und zwar Motor oder Generator
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, und zwar
Motor oder Generator mit einem Anker, in dem Magnetsäulen angeordnet sind, die im
Bereich der Ankermantelfläche magnetische Pole ausbilden, und mit einem Ständer,
der mit den Ankerpolen zusammenwirkende, elektromagnetisch erregte Ständerpole aufweist,
die aus einem sich radial erstreckenden Spulenkern und einer diesen umschließenden
elektrischen Magnetisierungsspule bestehen.
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Ein derartiger Aufbau elektrischer Maschinen ist aus der DE-AS 25
38 320 bekannt. Die Magnetsäulen sind in Umfangsrichtung magnetisiert, und zwischen
den Magnet säulen befindliches lamelliertes Eisen bildet am Ankermantel Pole, deren
Polarität in Umfangsrichtung ständig wechselt. Das Zentrum des Ankers ist unmagnetisch.
Der Ständer ist mit radial ausgerichteten Elektromagneten ausgerüstet, deren vom
Anker abliegende Kernpolflächen in einem Gehäuse verankert sind.
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In der DE-OS 15 38 800 ist eine elektrische Maschine beschrieben,
deren Anker axial ausgerichtete Magnetsäulen aufweist. Die Magnetisierungsrichtung
in Umfangsrichtung wechselt ständig. Zwischen den Magnetsäulen sind nach einer Ausführungsform
dieser Maschine weitere Dauermagneten vorgesehen, die den Streufluß zwischen den
radialen Dauermagnetsäulen beeinflussen sollen. Ein zentrales Magnetrückflußglied,
an dem die radialen Dauermagnetsäulen angeordnet sind, ist von Säule zu Säule in
wechselnder Richtung magnetisch durchflutet. Bei diesem Anker wechselt also ebenfallsin
Utfangsrichtuna ständig die Polarität der Ankerpole.
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Das gleiche gilt auch für die in der DE-AS 12 61 235 dargestellten
dauermagnetischen Anker elektrischer Maschinen.
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Dieser Anker besteht aus jeweils zwei Teilen, die miteinander verklebt
sind, wobei an der Klebestelle verschiedene Magnetisierungsrichtungen als verwendbar
angedeutet sind. Die Polarität im Zentrum des Ankers ist unbestimmt.
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In den Ständerpolen dieser mit dauermagnetischen Ankern versehenen
elektrischen Maschinen findet eine ständige Ummagnetisierung statt. Ein nicht unbeträchtlicher
Teil der zugeführten Leistung wird deshalb infolge von Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverlusten
in Wärme umgesetzt. Damit sinkt der Wirkungsgrad der Maschine ab. Ein weiterer wesentlicher
Nachteil besteht darin, daß erhebliche Einschaltstromstöße bzw. -spitzen und Netzverzerrungen
das Versorgungsnetz belasten. Werden bei einem zunehmenden Einsatz von Wärmepumpen
derartige herkömmliche Motoren eingesetzt, dann führt dies zu auf die Dauer nicht
mehr tragbaren Netz schwankungen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, bei hohem Wirkungsgrad Einschaltstromstöße
und Anlaufstromspitzen zu vermeiden oderwenigstns wesentlich zu verringern.
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Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß a) die
Ankermagnetsäulen von einem Zentralmagnetpol einer Polarität zur Ankermantelfläche
geführt sind, wobei sich im Bereich der Ankermantelfläche nur magnetische Pole der
anderen polarität ausbilden, b) der Ständer aus über den Ständerumfang verteilten
und in gleichbleibender Richtung magnetisierenden Elektromagneten aufgebaut ist,
c)
die Polung aller Ständerelektromagneten gegenüber dem Anker im erregten Zustand
der Polung des Zentralpoles entspricht, d) die Ständerelektromagnete frei von magnetischem
Eisenrückschluß zum Anker-Zentralpol sind.
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Der Vorteil einer derartigen, als Motor oder Generator einsetzbaren
elektrischen Maschine besteht darin, daß sie mit Gleichstromimpulsen steuerbar ist,
keine Einschaltstromstöße oder Anlauf stromspitzen aufweist und mit einem hohen
Wirkungsgrad arbeitet.
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Der magnetische Kreis ist bewußt nicht über magnetische Stoffe geschlossen.
Um dies zu erreichen, sind die Ständerelektromagnete frei von magnetischem Eisenrückschluß
zum Ankerzentralpol.
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Durch den Aufbau der Maschine werden Ummagnetisierungs-und Wirbelstromveruste
ebenso vermieden wie das Entstehen von Verlustwärme. Die Ständermagnetspulen können
auf gebräuchlichen Spulenwickelmaschinen serienweise gefertigt werden. Wird der
Querschnitt des Spulenkupfers so ausgelegt, daß durch den ohmschen Widerstand praktisch
keine Wärme entsteht, so kann die Maschine praktisch kalt arbeiten.
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Die Maschine zieht beim Anlauf keinen höheren Strom als während des
Betriebes, verursacht also im Netz keine Stromstöße. Sie läßt sich stufenlos vom
Stillstand bis zu der ausgelegten Solldrehzahl oder Höchstdrehzahl regeln. Damit
eignet sich die Maschine vorzüglich beispielsweise zum Antreiben von Wärmepumpen,
Fahrzeugen und Robotern. Der Maschinenaufbau ist einfach, weil keine Nuten und aufwendigen
Wicklungen nötig sind. Der Anker und Ständer lassen sich in Kunststoff gieRen oder
spritzen; die weichmagnetische-n-Teile sind Massivteile
ohne Lamellierung,
die aus Vollmaterial gestanzt, gezogen und geschnitten sein können.
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Die Magnetsäulen des Ankers der elektrischen Maschine lassen sich
auf verschiedene Weise ausbilden. Bei einer Ausführungsform bestehen die Magnetsäulen
einstückig aus Dauermagnetmaterial oder sind aus aufeinander gestapelten Dauermagnetscheiben
aufgebaut. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Magnetsäulen jeweils aus einem
weichmagnetischen Spulenkern und einer diesen umschließenden Erregerspule aufgebaut.
Bei der dauermagnetischen Ausbildung ist eine Stromzuführung zum Anker überflüssig.
Bei der elektromagnetischen Ausführung muß dem Anker über Schleifringe der zur Ausbildung
der Magneten erforderliche Strom zugeführt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Zentral pol aus magnetisch weichem Material besteht und die sich von ihm
nach außen erstreckenden Magnetsäulen am Zentral pol ihren Südpol und im Bereich
der Ankermantelfläche ihren Nordpol aufweisen. Von Vorteil ist es dabei, wenn der
Zentralpol sich axial von Ankerstirnfläche zu Ankerstirnfläche erstreckt. Es entsteht
damit im Bereich des Zentralpoles ein starker magnetischer Sog und im Bereich der
magnetischen Pole im Bereich der Mantelfläche des Ankers ein magnetischer Druck.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung läßt sich dieser Sog
im Bereich des Zentralpoles noch dadurch verbessern, daß zwischen dem Zentralpol
und den Ankerstirnflächen Magnetsäulen angeordnet sind, deren Nordpole zum Zentralpol
und deren Südpole zu den Ankerstirnflächen orientiert sind.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vor-
gesehen,
daß die Magnetsäulen des Ankers, ausgehend vom Zentralpol zur Ankermantelfläche
hin im Ankerquerschnitt gesehen, derart gebogen geführt sind, daß ihre mantelseitigen
Polflächen etwa in die Ebenen von Radialflächen des Ankers fallen. Die Bogenführung
der Magnetsäulen kann dabei beispielsweise halbkreisförmig vorgesehen sein. Auch
andere Bogenführungen sind denkbar. Durch diese Anordnung der mantelseitigen Magnetsäulenpolflächen
wird erreicht, daß nur diejenigen Elektromagnete, die vor den Ankerpolflächen liegen,
auf diese Polflächen einwirken. Diejenigen Elektromagnete, die hinter den Ankerpol
flächen liegen, bleiben wirkungslos.
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Die elektrische Maschine ist vorzugsweise walzenförmig langgestreckt
ausgebildet. Die Ständerelektromagnete sind relativ dünn, aber dafür möglichst lang.
Der Rundlauf der Maschine wird mit der Anzahl der Ständermagnete verbessert. Das
Ständerblechpaket ähnelt dem Ständerblechpaket einer Drehstrommaschine, es fehlen
jedoch die Eisenrückschlußverbindungen.
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Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch die elektrische Maschine
längs der Linie I-I nach Fig. 2, Fig. 2 einen Schnitt durch die elektrische Maschine
längs der Linie II-II nach Fig. 1, Fig. 3 eine Abwandlung der elektrischen Maschine
nach den Fig. 1 und 2, Fig. 4 eine weitere Abwandlung der elektrischen Maschine
nach den Fig. 1 und 2 und
Fig. 5 eine weitere Abwandlung der elektrischen
Maschine mit gebogenen Ankermagnetsäulen.
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In den Zeichnungen ist zur Differenzierung der Baumaterialien eine
bestimmte Schraffur gewählt.
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Weicheisenteile sind mit gleichbleibend dünner gleichmäßiger Schraffur
angedeutet.
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Hartmagnetische Teile sind gleichbleibend dick oder (in Fig. 5) gar
nicht schraffiert und mit Polungszeichen (N oder S) versehen.
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Nicht-magnetische Teile, beispielsweise Kunststoff, sind mit abwechselnd
dünnen und dicken Linien schraffiert.
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Die elektrische Maschine hat einen Anker, der in seinem Zentrum 3
einen Zentralpol 5 aus weichmagnetischem Stoff aufweist. Von diesem Zentralpol 5
gehen in radialer Richtung mehrere Magnetsäulen 7 aus, die vom Zentralpol 5 bis
zur Mantelfläche 15 des Ankers 1 reichen. Die Magnetsäulen 7 sind in Längsrichtung
magnetisiert, d. h. die Magnetisierungsrichtung läuft im Anker radial vom Zentralpol
aus zur Mantelfläche 15.
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Die Dauermagnetsäulen 7 können entweder einstückig oder aus aufeinander
gestapelten, für sich magnetisierten Dauermagnetscheiben 7 aufgebaut sein. Die Südpolflächen
11 der Magnetsäulen 7 befinden sich am Zentralpol 5, die Nordpol flächen 13 dementsprechend
an der Ankermantelfläche 15.
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Wie sich besonders deutlich aus Fig. 2 ergibt, bildet sich bei einem
solchen Aufbau in den Magnetsäulen 7 ein Raummassefluß 17 aus, der sich radial vom
Zentralpol 5 zur Rotormantelfläche 15 erstreckt. In den Magnetsäulen 7 wird der
Raummassefluß 17 um das mehr als 200.000-fache beschleunigt. Dadurch entsteht im
Zentral-
pol 5 ein Raummassevakuum und als Folge davon ein starker
Raummassesog zum.Zentralpol 5 hin.
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Wenn die Maschine als Motor arbeiten soll, sind auf den an der Ankermantelfläche
15 gelegenen Nordpol flächen.
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13 der Magnetsäulen 7 Pol schuhe 19 angeordnet, welche die an den
Nordpolflächen ausströmende Masse 21 umlenken und dem Zentralpol 5 wieder zuführen.
Auf diese Weise wird zwischen den Magnetsäulen 7 im Anker- und dem Zentralpol 5
ein starkes äußeres magnetisches Energie- oder Strömungsfeldgeschaffen. Ist der
Ständer bzw. sind die Ständermagnete nicht erregt, dann ist das Ankermagnetfeid
im wesentlichen in sich geschlossen und wirkt nicht nach außen.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind an dem Zentralpol 5
zwei Dauermagnetsäulen 7 angeordnet, die auf einem Ankerdurchmesser angeordnet sind.
Je nachdem, welche Drehzahl die Maschine erreichen soll und welchen Durchmesser
der Anker hat, können ohne Schwierigaeiten auch weitere Dauermagnetsäulen mit Süd-Nord-Ausrichtung
zu der Ankermantelfläche hin am Zentralpol 5 angeordnet werden. So ist es beispielsweise
denk-bar, anstelle der zwei Duermagnetsäulen auch drei, vier oder noch mehr Dauermagnetsäulen
7 einzusetzen.
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Die Dauermagnetsäulen und der-Zentralpol 5 sind durch Einbettung in
magnetisch neutrales Kunststoffmaterial 22 miteinander zu einer mechanischen Einheit
verbunden. Die Ankerwelle 23 besteht aus Wellenstümpfen, die mittels Stirnplatten
24 an die Stirnflächen 25 des Ankers 1 angeflanscht sind. Die aus Messing bestehenden
und damit magnetisch nicht-leitenden Stümpfe der Welle 23 können gegebenenfalls
aber auch axial durch den Anker 1 hindurch miteinander zu einer einheitlichen Welle
23 verbunden sein. Eine solche durchgehende Welle ist in der
Zeichnung
vermieden, um die Funktionsdarstellung nicht zu stören.
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Im Ständer 26 der Maschine sind um den vollen Ständerumfang verteilt
mehrere Elektromagnete 27 angeordnet.
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Diese Elektromagnete bestehen aus weichmagnetischen, Säulen bildenden
Spulenkernen 29 und diese umschließenden elektrischen Magnetisierungswicklungen
31. Alle Ständermagnete 27 sind im Ständer 25 in Kusntstoffmaterial, z. B. äußere
und innere Kunststoffringe 33, 35, eingesetzt. Der Ständer kann jedoch auch voll
gegossen sein und die Spulenkerne umschließende Hohlräume aufweisen, in, die die
Erregerspulen 31 von außen eingesteckt sind. Die Ständermagneten 27 sind frei von
gegenseitigen magnetischen Rückschlüssen.
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Die Anzahl der Ständermagnete 27.richtet sich nach der Anzahl der
Ankermagnetsäulen und beides zusammen wieder nach den geforderten Daten der Maschine,
wie z. B.
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Drehzahl und Drehmoment.
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Die Ständermagnete 27 sind so angeordnet, daß die weichmagnetischen
Spulenkerne 29 bei entsprechender Rotorstellung die dauer- oder hartmagnetischen
Ankermagnetsäulen 7 praktisch radial verlängern. D. h., auch die Spulenkerne 29
sind gegenüber der Maschinenachse 32 radial angeordnet.
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Die Ständermagnete 27 werden mit Gleichstromimpulsen stets nur in
einer Magnetisierungsrichtung derart magnetisiert, daß diese zum Anker 1 hin einen
Südpol bilden und somit zum.Ankerenergiefeld 21 hin einen Raummassesog erzeugen.
Das bedeutet, daß die Raummasse, die an den Ankernordpolen 13 ausströmt und über
die Polschuhe 19 dem Zentralpol 5 wieder zugeleitet wird, nach der elektrischen
Magnetisierung der Ständer-
magnete 27 von dem Ankerenergiefeld
21 abgesogen wird.
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Im Anker 1 entsteht dann ein starkes, gleichbleibendes Drehmoment,
wenn entsprechend der Drehrichtung immer die Ständermagnete 27, die sich ein Stück
vor dem gerade auflaufenden Ankerpol 28 befinden, magentisiert werden. Diese Magnetisierung
kann über eine von der Ankerstellung abhängige Magnetisierungsstrom-Impulssteuerung
oder beispielsweise bei Industrie-Robotern über eine elektronische Impulssteuerung
erfolgen. Der vor einem auflaufenden Ankerpol befindliche Ständermagnet 27 wird
nur für die Zeit bzw. so lange magnetisiert, bis dieser Ankerpol 17 den magnetisierten
Ständermagneten 27 erreicht hat. Diese Zeit ist sehr kurz, und die Ständermagnete
werden deshalb praktisch nur mit stromstoßartigen Stromimpulsen versorgt. Hat ein
Ankerpol 18 den zugehörigen erregten Ständermagnet 27 erreicht, wird er abgeschaltet
und der im Drehsinn nächstfolgende Ständermagnet 27 durch Anschalten magnetisiert.
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Stark abgebremst wird der Anker 1 dann, wenn die Ständermagnete 27,
die sich über den Ankerpolen 19 befinden, elektrisch magnetisiert sind. Wird die
Maschine gebremst, dann erfolgt die Magnetisierung im Gegensinn, also entgegen der
Drehrichtung, und die Maschine kommt nach kurzem Drehwinkel zum Stillstand.
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Wird durch magnetisierte Ständermagnete 27 dem Anker-Energiefeld 21
Raummasse entzogen, dann entsteht im zentralpol 5 ein erhöhtes Raummassevakuum und
somit ein verstärkerter Raummassesog. Das bedeutet, daß der Zentralpol 5 sich von
den Ständermagneten 27 abgesogene Raummasse ansaugt, und zwar auch über die nicht
magnetisierten Ständermagnete 27. Dadurch werden die nicht magnetisierten Ständermagnete
27 ummagmtisiert. Diese Ummagnetisierung hat Verluste zur Folge, die vermieden
werden
müssen. Zur Vermeidung dieser Ummagnetisierungsverluste zeigt Fig. 3 eine abgewandelte
Ankerausbildung. Der Zentralpol 5, der sich entweder nur im Bereich der ansetzenden
Dauermagnetsäulen 7 befindet oder aber auch weichmagnetisch bis zu den Stirnflächen
25 durchgezogen ist, erhält in dem Bereich zwischen den Dauermagnetsäulen und den
Stirnflächen zusätzliche Dauermagnetsäulen 37. Die Nordpolflächen 39 dieser in Achsrichtung
des Ankers 1 verlaufenden Dauermagnetsäulen 37 befinden sich am Zentralpol 5, während
die Südpolflächen 41 sich an den Ankerstirnflächen 25 befinden. Zusätzlich sind
die Ständermagnete 27 mit achsparallel verlaufenden weichmagnetischen Rückflußplatten
45 versehen, die die Elektromagneten 27 abdecken und zu den Ständerstirnflächen
47 führen. Dadurch wird das äußere magnetische Energiefeld der Maschine so abgelenkt,
daß die nicht elektrisch magnetisierten Ständermagnete nicht davon beeinflulS werden.
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In Fig. 4 ist ein wiederum veränderter Anker 1' dargestellt. Bei diesem
Anker bestehen die Ankermagnetsäulen,7' aus weichmagnetischem Material. Dieses weichmagnetische
Material der Ankermagnetsäulen 7' wird umschlossen von Magnetisierungsspulen 49,
die über Schleifringe an die Speiseschaltung angeschlossen sind. Die Versorgung
erfolgt mit Gleichstrom gleichbleibender Polarität. Auf diese Weise ist -auch durch
eine elektrische Magnetisierung eine Ankerkonfiguration zu erreichen, wie sie bei
Zuhilfenahme von Dauermagneten mögl-ich ist.
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Bei der Maschine nach Fig. 1 bis 4 mit radial verlaufenden Ankermagnetsäulen
7 sind auf den Nordpolflächen 13 der Ankermagnetsäulen 7 weichmagnetische Pol schuhe
angeordnet, welche die an den'Anker-Dauermagnetsäulen-Nordpolen ausgeblasene Raummasse
teilweise umlenken und
dem Ankerzentralpol wieder zuleiten. Die
Raummasse fließt beidseitig der Ankermagnetsäulen 7 zum Ankerzentralpol 5 zurück.
Bei einer derartigen Maschine werden immer zwei Ständermagnete 27 eingeschaltet,
um ein Drehmoment zu erzeugen. Der Erkungsbereich der Ständermagnete 27 ist sehr
kurz.
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In Flg. 5 ist eine weitere Ankerausführungsform des Ankers der elektrischen
Maschine dargestellt. Der Ständer verbleibt in der bereits beschriebenen Form.
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Am Zentralpol 105 des Ankers 101 schließen Magnetäsulen 107 an, die
bogenförmg gekrümmt sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der
Bogenradius dabei etwa dem halben Ankerradius. Es sind aber auch andere Krümmungsformen
denkbar. Die zur Ankermantelfläche 115 hin gelegenen Nordpolflächen 113 der Magnetsäulen
107 fallen dabei etwa in die Ebenen 114 von Radialflächen des Ankers 101.
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Neben ihren dauermagnetischen Eigenschaften besitzen hartmagnetische
Stoffe den Vorteil, daß die Raummasse nur an ihren Nordpolflächen ausgeblasen wird.
Weichmagnetische Stoffe blasen dagegen Raummasse an fast allen Flächen in alle Richtungen.
In Fig. 5 ist der äußere Anker-Raummassefluß 116 angedeutet. Die Raummasse wird
an den Nordpolflächen ausgeblasen und fließt dann in Richtung auf den Ankerzentralpol,
wo ein Raummassevakuum und dadurch ein Raummassesog besteht. In der Ankerstellung
entsprechend Fig. 5 können alle sechs Ständerelektromagnete 27 eingeschaltet sein
und auf die Ankermagnetsäulen 107 wirken. Dadurch wird der Wirkungsbereich der Ständermagnete
27 sehr -viel größer als bei einer Maschine entsprechend Fig. 2 und 4. Da die am
Ankermagnetsäulen-Nordpol 113 ausgeblasene Raummasse durch Magnetisieren von Ständermagnetsäulen
27 mehr Drehmoment als Bremsmoment erzeugt, liegt der Wirkungs-
grad
einer derartigen Maschine höher als der Wirkungsgrad einer Maschine entsprechend
Fig. 2 und 4. Ungünstig ist nämlich bei reiner radialer Ausrichtung der Ankermagnete,
daß trotz der Pol schuhe 19 ein starker Raummassefluß in radialer Richtung ausgestrahlt
wird, wodurch das Eisen 29 der über den Polschuhen 19 liegenden Ständermagnetsäulen
27 magnetisiert wird.
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Dadurch bilden die Ständermagnete 27 einen Gegenpol zu den Ankerpolen.
Infolge der dadurch entstehenden Anziehungskraft versucht der Ständer den Anker
in der dargestellten Stellung zu halten, es entsteht also ein Bremsmoment. Dies
ist bei dem Anker nach Fig. 5 eliminiert.
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Die Maschine kann aus einer Gieichstrom- oder Wechselstromversorgungsquelle
gespeist werden. Bei einer Speisung über eine Gleichstromquelle (Batterie, Netz)
werden zur Drehzahlregelung-mehrere Ständermagnete in Reihe oder parallel betrieben.
Bei einer Speisung über ein Wechselstromnetz wird der Wechselstrom gleichgerichtet
und die Drehzahlregelung über einen Steuer- oder Stufentrafo vorgenommen. In beiden
Fällen kann über die Länge der Impulse gesteuert werden.