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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf elektrische Permanentmagnet-Generatoren,
im folgenden Magnetogeneratoren, und insbesondere auf Magnetogeneratoren,
die für
die Verwendung in batteriebetriebenen Vorrichtungen konstruiert
sind.
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STAND DER TECHNIK
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Wie
bekannt ist, werden Magnetogeneratoren häufig in Kombination mit Brennkraftmaschinen als
Stromgeneratoren für
die Speisung elektrischer Lasten an Bord eines Fahrzeugs und zum
Laden seiner Batterie verwendet. Die üblichen Anwendungsgebiete dieser
Magnetogeneratoren sind im allgemeinen Zweiradfahrzeuge, Schneemobile,
kleine drei- oder vierrädrige
Fahrzeuge und ähnliche
Anwendungen.
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Im
Allgemeinen umfasst ein Magnetogenerator einen Stator mit einem
Magnetkreis und einer elektrischen Wicklung, die ein erstes Polsystem
definieren; einen Permanentmagnet-Rotor, der so unterstützt ist,
dass er sich koaxial mit dem Stator dreht, wobei der Rotor seinerseits
einen Magnetkreis besitzt, der ein zweites Polsystem definiert,
das mit dem Polsystem des Stators magnetisch verbunden ist. Die
zwei Polsysteme besitzen einander gegenüberliegende Poloberflächen, die
sich parallel zur Längsachse
des Rotors erstrecken.
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Für die in
den oben erwähnten
Anwendungen verwendeten Magnetogeneratoren ist es zusätzlich zum
Wirkungsgrad wichtig, eine mechanische Stabilität und die Fähigkeit des Betriebs bei hohen Temperaturen
zu schaffen.
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Ein
weiteres Anwendungsgebiet von Magnetogeneratoren sind batteriebetriebene
Vorrichtungen; z. B. die in Turnhallen, medizinischen Zentren oder durch
private Anwender verwendeten professionellen Vorrichtungen, um körperliche Übungen auszuführen, wie
z. B. Cyclettes (Hometrainer/Fahrrad-Ergometer) und dergleichen. Für diese
Vorrichtungen ist es notwendig, dass eine unabhängige Leistungsversorgung verfügbar ist,
um eine elektromagneti sche Bremse zu betätigen, die das Niveau der körperlichen
Anstrengung festsetzt, und um Leistung an einen Computer zu liefern,
der alle Daten, die sich auf die körperliche Anstrengung beziehen,
wie z. B. die verbrannten Kalorien, die Herzfrequenz und andere Daten
oder Informationen, verarbeitet und anzeigt.
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Auf
diesem speziellen Gebiet umfasst das Entnehmen der Leistung aus
einem üblichen
elektrischen Netz, um alle Einrichtungen der Vorrichtung zu versorgen,
die Verwendung von Verbindungskabeln, die sich als ungünstig erweisen
können,
wenn die Vorrichtung in der Umgebung umherbewegt wird, was außerdem Sicherheitsprobleme
und den folgenden Bedarf umfasst, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um jede
Verletzung des Anwenders zu verhindern.
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Aus
diesen Gründen
werden batteriebetriebene Vorrichtungen verkauft, die von einem
Magnetogenerator Gebrauch machen, der die Energie der Person ausnutzt,
die die körperliche Übung ausführt, um
den Strom zu erzeugen, der notwendig ist, um die verschiedenen Einrichtungen
zu versorgen.
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Der
Magnetogenerator kann insbesondere verwendet werden, um die elektrische
Leistung zu erzeugen, die notwendig ist, um die verschiedenen Teile
der Vorrichtung zu versorgen, einschließlich der elektromagnetischen
Bremse, oder kann beide Funktionen der Lieferung von Leistung an
die Vorrichtung und der elektromagnetischen Bremse ausführen.
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DAS TECHNISCHE PROBLEM
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Die
Verwendung und die Geräusche
der Magnetogeneratoren im Allgemeinen bringen in der großen Mehrheit
der Anwendungsgebiete keine besonderen Probleme mit sich; im Gebiet
der batteriebetriebenen Vorrichtungen der vorher erwähnten Art
bilden jedoch die Geräusche
und die Schwingungen, die durch den Generator verursacht werden,
ein ernstes und unangenehmes Problem.
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Ein
weiteres Problem besteht in dem "Rüttel"-Phänomen des
Generators, das durch die Tatsache verursacht wird, dass die ausgeprägten Pole
des Stators, mit denen der Generator normalerweise versehen ist,
keinen konstanten mag netischen Widerstand längs des ganzen Umfanges des
magnetischen Luftspalts besitzen, der zwischen dem Rotor und diesem
Stator vorhanden ist; mit dem Ergebnis, dass, wenn der Generator
angehalten wird, er den Rotor veranlasst, um irgendeine Position
zu rütteln, die
einen minimalen magnetischen Widerstand besitzt.
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In
einigen Vorrichtungen, z. B. in Cyclettes, erweist sich dieses Rütteln als
störend,
weil es auf die Pedale reflektiert wird, wobei es durch den Anwender,
der die Übung
ausführt,
negativ gefühlt
werden kann.
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Die
ausgeprägten
Pole des Stators und das Fehlen eines konstanten magnetischen Widerstands verursachen
außerdem
zusätzlich
zum Erzeugen des Rüttelphänomens Schwingungen,
die sich zusätzlich
dazu, dass sie eine weitere Ursache für Geräusche sind, außerdem als ärgerlich
erweisen, weil sie mittels des Metallrahmens der Vorrichtung zum Anwender übertragen
werden.
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JP-A-11069679 offenbart
einen Wechselstrommotor, der durch einen Treiber mit einer Gleichstrom-Leistungsquelle
verbunden ist, in dem ein zylindrischer Rotor mit Polen, die geneigte
Kanten besitzen, versehen ist, um die Drehmoment-Welligkeit zu verringern;
weitere Ursachen für
die Geräusche sind
die durch die elektrodynamischen Reaktionen oder Welligkeiten der
elektrischen Ströme,
die in der Statorwicklung des Generators fließen, erzeugten Schwingungen.
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DIE AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Es
ist die Hauptaufgabe dieser Erfindung, einen Magnetogenerator für die Verwendung
in batteriebetriebenen Vorrichtungen zu schaffen, der einen niedrigen
Grad des Rüttelns
und ein eingeschränktes Geräusch bietet.
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Es
ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen Magnetogenerator
für die
obenerwähnte
Verwendung zu schaffen, in dem die durch die im Generator fließenden Ströme erzeugten
elektrodynamischen Reaktionen im Wesentlichen auf ein Minimum verringert
sind und dadurch das Geräusch
verringert ist.
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Es
ist eine nochmals weitere Aufgabe, einen Magnetogenerator zu schaffen,
der einen magnetischen Widerstand bei einem Umlauf mit einem im Wesentlichen
konstanten Wert besitzt und in dem die Welligkeit des gleichgerichteten
Ausgangstroms vom Generator auf ein äußerst niedriges Niveau verringert
ist, das z. B. zu 1% äquivalent
oder kleiner als 1% ist, mit einer sich ergebenden weiteren Verringerung
der Schwingungen und des Geräuschs
des Generators.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Um
diese Nachteile zu beseitigen, ist ein Magnetogenerator gemäß Anspruch
1 geschaffen worden, der besondere Konstruktionsmerkmale besitzt, die
das Rüttelphänomen, das
die Erzeugung von Schwingungen verursacht, verringern können und folglich
das Geräusch
des Generators selbst verringern können.
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Insbesondere
ist gemäß der Erfindung
ein Magnetogenerator für
batteriebetriebene Vorrichtungen geschaffen worden, der umfasst:
einen
Stator mit einem ersten Magnetkreis und einer elektrischen Wicklung,
die ein erstes Polsystem definieren;
einen Rotor, der koaxial
zu dem Stator angeordnet ist und seinerseits einen zweiten Magnetkreis
besitzt, der ein zweites Polsystem aufweist, wobei das erste und
das zweite Polsystem ein mehrphasiges elektromagnetisches System
definieren;
wobei die Pole des Stators und die Pole des Rotors einander
gegenüber
liegende Poloberflächen
besitzen, die sich jeweils in Richtung einer entsprechenden Längsachse
erstrecken; und
wobei die elektrische Wicklung des Stators
mit einer Diodenbrücke
(D) verbunden ist, um den von dem Generator abfließenden elektrischen
Strom gleichzurichten; dadurch gekennzeichnet, dass
jede Poloberfläche des
Rotor-Polsystems Polkanten und eine Längsachse (A) besitzt, die in
Winkelrichtung in Bezug auf eine Referenzlinie (R), die zu den Längsachsen
der Poloberflächen
des Stators parallel ist, in die gleiche Richtung geneigt sind;
und dass das mehrphasige System aus einem sechsphasigen elektromagnetischen
System besteht, das eine erste Deltawicklung, die zwischen eine
erste Gruppe von Dioden (D1–D3;
D'1–D'3) der Gleichrichterbrücke (D) geschaltet
ist, und eine zweite Sternwicklung, die zwischen eine zweite Gruppe
von Dioden (D4mD6; D'4–D'6) der Gleichrichterbrücke (D)
geschaltet ist, umfasst.
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Der
durch die Längsachse
der Poloberfläche jedes
Pols des Rotors in Bezug auf eine Referenzlinie, die zur Längsachse
jeder Poloberfläche
des Stators parallel ist, die in dem gezeigten Beispiel ihrerseits
zur Drehachse des Rotors parallel ist, gebildete Winkel kann aus
einem weiten Bereich von Werten zwischen 10° und 30° gewählt werden; für Rotoren mit
einer Länge,
die im Bereich von 15 bis 25 Zentimetern liegt, kann die Neigung
der Längsachse
der Poloberfläche
jedes Pols des Rotors im Bereich von 15° bis 20° liegen. In der Tat wurde bei
ausgeführten Tests
bemerkt, dass in diesem schmalen Bereich der Werte sowohl das Rüttelphänomen als
auch das Geräusch
des Generators in einem größeren Maße verringert
sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale des Magnetogenerators für batteriebetriebene Vorrichtungen
gemäß dieser
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme
auf das Beispiel der beigefügten
Zeichnung, in dem auf einen sechsphasigen Generator mit einem 16poligen
Rotor und einem 24poligen Stator Bezug genommen wird, klarer ersichtlich;
wobei in der Zeichnung:
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1 eine
Längsansicht
im Querschnitt des Generators zeigt;
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2 eine
Draufsicht nach 1 zeigt;
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3 eine
perspektivische Ansicht des Rotors zeigt;
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4 eine
Einzelheit des Rotors zeigt;
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5 eine
perspektivische Ansicht des Stators zeigt; und
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6 eine
graphische Darstellung der elektrischen Wicklung des Stators mit
einer sechsphasigen Gleichrichterbrücke zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie
in 1 gezeigt ist, umfasst der Magnetogenerator 10 einen
Stator 11, der in der perspektivischen Ansicht nach 5 deutlicher
veranschaulicht ist, und einen Rotor 12, in der perspektivischen Ansicht
nach 3 deutlicher veranschaulicht ist.
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Der
Rotor 12 umfasst eine Bodenwand, die mit einer Nabe 13 für die Befestigung
des Rotors 12 an einer Antriebswelle, die direkt oder indirekt
z. B. mit den Pedalen einer Cyclette verbunden ist, versehen ist.
Der Rotor 12 umfasst außerdem eine Umfangswand 14,
auf deren Innenseite ein Ring 15 aus einem Magnetwerkstoff
befestigt ist; die Boden- und die Umfangswände des Rotors besitzen eine
beträchtliche
Dicke, um eine Art eines Schwungrads zu bilden.
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Der
magnetische Ring 15 des Rotors ist radial magnetisiert,
um ein erstes Magnetpolsystem zu bilden, das abwechselnd entgegengesetzte
N- und S-Polaritäten besitzt,
die hintereinander um den ganzen Umfang auf der inneren Oberfläche des
Ringorgans 15 angeordnet sind.
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Die
Verwendung eines einzigen Magnetrings 15 für den Rotor
erweist sich im Vergleich zu der Verwendung einzelner Magneten als äußerst vorteilhaft, weil
sie es möglich
macht, eine gleichmäßiger ausgeglichene
symmetrische Struktur zu erhalten und dadurch das Rütteln und
die Schwingungen zu verhindern.
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Wie
in 3 deutlicher und in 4 in vergrößerter Einzelheit
gezeigt ist, besitzt jeder Pol des Rotors 12 auf der Innenseite,
die dem Stator 11 gegenüberliegt,
eine Poloberfläche 16,
die sich längs der
ganzen Höhe
der Umfangswand 14 in der Richtung der Längsachse
der Drehung des Rotors 12 erstreckt.
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Die
Einzelheit in 4 zeigt mit größerer Klarheit
eine der Eigenschaften des Magnetogenerators gemäß dieser Erfindung; aus dieser
Figur kann entnommen werden, dass die N-, S-Pole des Rotors 12,
die so entworfen sind, dass sie den Polen 17 des Stators 11 gegenüberliegen,
eine geneigte Anordnung ihrer Seiten im Vergleich zu einer üblichen
Anordnung parallel zur Achse des Rotors der konventionell bekannten
Magnetogeneratoren besitzen.
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Wie
in 4 gezeigt ist, besitzt genauer jede N-, S-Polfläche des
Rotors eine Poloberfläche 16,
die eine Längsachse
A besitzt, die sich parallel zu den durch die idealen Trennungsebenen
zwischen den benachbarten Magnetpolen des Rings 15 definierten Seitenkanten
erstreckt.
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Insbesondere
bildet die Längsachse
A jedes Pols einen Winkel α mit
einer Referenzgeraden R, die parallel zur Mantellinie der zylindrischen
Oberfläche des
Magnetrings 15 oder parallel zur Drehachse des Rotors 12 ist.
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Der
Neigungswinkel α der
Pole N und S des Rotors muss durch geeignete experimentelle Tests bestimmt
werden, die außerdem
die axiale Länge des
Rotors berücksichtigen.
Im Allgemeinen kann der Winkel α für Rotoren
mit einer Länge,
die im Bereich von 15 bis 25 Millimeter liegt, im Bereich von 10° bis 30° gewählt werden;
wobei der Winkel α vorzugsweise
im Bereich von 15° bis
20° liegen
kann, weil festgestellt worden ist, dass in diesem Intervall der
Werte die besten Leistungen hinsichtlich der Verringerung des Rüttelphänomens des
Rotors und des Geräuschs
des Generators erreicht werden, ohne jedoch annehmbare Leistungen
außerdem
für Werte, die
höher oder
niedriger als der oben angegebene Bereich der Werte sind, auszuschließen.
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Die
Verwendung eines Magnetkreises für den
Rotor, der aus einem einzigen magnetischen Ringorgan besteht, wurde
für den
Zweck der Eliminierung jedes Maßunterschieds
zwischen den Polen gewählt;
in der Tat würde
es durch das Konstruieren des Rotors in der herkömmlichen Weise, d. h., unter Verwendung
einzelner Magneten, die an einem ferromagnetischen Haltering befestigt
sind, auf Grund der unvermeidlichen Unterschiede, die zwischen den verschiedenen
Magneten vorhanden sind, absolut unmöglich sein, eine perfekte mechanische
und magnetische Symmetrie und ausgeglichene Bedingungen zu garantieren,
mit den folgenden Schwierigkeiten, dass eine Gestaltung dieser Art
Schwingungen und Geräusche
nach sich ziehen würde.
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Der
Magnetring 15 ist folglich radial magnetisiert, wobei die
Pole geeignet geneigt sind, um den magnetischen Widerstand zwischen
dem Rotor und dem Stator längs
des ganzen Luftspalts konstant zu machen.
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Der
Unterschied im Verhalten zwischen einem üblichen Rotor, der nicht geneigte
Pole besitzt, und einem Rotor mit geneigten Polen gemäß der Erfindung
kann außerdem
unmittelbar manuell verifiziert werden, indem der Rotor bewegt wird
und sowohl das Fehlen der Knackgeräusche bei der Drehbewegung
als auch das Fehlen von Totpunkten oder bevorzugten Haltepositionen
bemerkt wird.
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Der
Stator 11 wiederum, wie in den 1, 2 und 5 gezeigt
ist, umfasst einen Magnetkreis, der ein zweites Polsystem radial
angeordneter ausgeprägter
Pole 17 definiert. Jeder Pol 17 des Stators 11 wird
durch Ausschneiden aus magnetischem Blech erhalten; die geeignet
geformten Blechschnitte werden gepackt und anschließend mit
isolierendem Kunststoffmaterial gemeinsam gepresst, worauf anschließend die
einzelnen Spulen der Wicklung gewickelt werden. Jeder Pol 17 des
Stators 11 besitzt eine Umfangs-Poloberfläche 20,
die auf den Rotor gerichtet ist und die eine Längsachse besitzt, die zur Achse der
Poloberfläche
des Rotors parallel ist, d. h., die zu einer Referenzlinie R für die Poloberflächen 16 des Rotors 12 parallel
ist.
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In
einer an sich bekannten Weise ist jeder Pol 17 des Stators 11 von
einer Spule 21 umgeben, die mit den Spulen 21 der
anderen Pole 17 elektrisch verbunden ist, um die elektrische
Wicklung zu bilden, in der die elektrische Stromausgabe durch den
Generator induziert wird, damit sie fließt, um eine Vorrichtung zu
speisen, mit der der Generator verbunden ist.
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Insbesondere
im Fall eines sechsphasigen Generators, wie in dem Beispiel nach 6 gezeigt ist,
umfasst die elektrische Wicklung des Stators eine erste Deltawicklung 22,
die mit einer Gruppe von Dioden D1, D2, D3 und D'1, D'2,
D'3 einer Gleichrichterbrücke 24 verbunden
ist; wobei sie außerdem
eine zweite Sternwicklung 23 umfasst, die mit einer zweiten
Gruppe von Dioden D4, D5, D6 und D'4, D'S,
D'6 der Gleichrichterbrücke 24 verbunden
ist.
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In
dieser Weise kann der gleichgerichtete Impulsstrom von der Diodenbrücke 24 mittels
der Leiter 27 und 28 in die Vorrichtung eingespeist
werden, wobei er einen sehr niedrigen Welligkeitsfaktor bietet, der
zu 1% äquivalent
oder kleiner als 1% ist.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal des Magnetogenerators in Übereinstimmung mit dieser Erfindung
ist vorzugsweise die Gleichrichterbrücke 24 direkt an einer
Seite des Stators 11 befestigt; diese spezielle Anordnung
der Diodenbrücke 24 ermöglicht es,
dass sie direkt mit den Wicklungen 22 und 23 verbunden
ist, mit dem Vorteil, dass zusätzlich
zum Erdungsleiter 29 nur die zwei Leiter 27 und 28 am
Ausgang des Generators vorhanden sind.
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Selbst
wenn sich die dreiphasige Lösung
mit einer Stern- oder Deltaverbindung der Statorwicklung als die ökonomischste
Lösung
aller möglichen
mehrphasigen Lösungen
erweist, ist festgestellt worden, dass es vorteilhaft ist, eine
sechsphasige Lösung
zu wählen,
weil sie sich als die Lösung
erweist, die technisch am interessantesten ist, weil sie die Möglichkeit der
Verringerung der Stromwelligkeit auf ein sehr niedriges Niveau bietet;
um dieses Ergebnis zu erreichen, ist es notwendig, die zwei elektrischen
Wicklungen 22 und 23 phasenverschoben zueinander herzustellen,
eine von denen in Deltaschaltung und die andere in Sternschaltung,
und folglich am Ausgang der Gleichrichterbrücke 25 Stromimpulse,
die um 30° phasenverschoben
sind, und folglich sehr niedrige Welligkeitswerte zu erhalten.
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Aus
dem, was in dem Beispiel nach den 1 bis 6 beschrieben
und gezeigt worden ist, ist klar, dass ein Magnetogenerator geschaffen
worden ist, der die beschriebenen Eigenschaften besitzt; es ist
jedoch offensichtlich, dass weitere Modifikationen oder Variationen
in Bezug auf die Winkelanordnung der Poloberflächen des Stators und des Rotors, die
elektrische Wicklung des Stators und die zwei Polsysteme vorgenommen
werden können,
ohne dadurch vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.