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Vorrichtung zur selbsttätigen Einstellung des übersetzungsverhältnisses
eines mit einem Brennkrafemotor gekuppelten elektrischen Getriebes Zur Erhöhung
der Wirtschaftlichkeit von Antrieben durch Brennkraftmotoren über Getriebe sind
Einrichtungen vorgeschlagen worden, die durch entsprechende selbsttätige Änderung
des Übersetzungsverhältnisses im Getriebe die Dreliza'hl-des Brennkraftmotors unabhängig
von - der Größe des Ausgangsdrehmomentes des Getriebes machen. Dadurch ist mau imstande,
z. B. im Kraftfahrzeug den Brennkraftmotor zu zwingen, nur Betriebszustände entsprechend
seiner wirtschaftlichsten Leistungskennlinie anzunehmen. Jeder Stellung des vom
Fahrer an Stelle des Gasliebels bedienten Leistungswählers entsprechen dann eindeutig
eine bestimmte Leistung N und eine bestimmte Drehzahl .des Brennkraftmotors, die
unabhängig von der Größe der gleichzeitig vorhandenen Fahrwiderstände und von der
Größe der gleichzeitig vorhandenen Fahrgeschwindigkeit sind. Die Unä#bhängigkeit
des Betriebszustandes des Brennkraftmotors von den Größen der Ausgangseite des Getriebes
und die Einstellung der wirtschaftlichsten Motordrehzahl n1 für jede verlangte Leistung
wird durch einen Übersetzungsregler erzielt. Ein Teil der Einstellorgane dieses
Übersetzungsreglers wird in Abhängigkeit von der der gewählten Leistung zugeordneten
wirtschaftlichsten Drehzahl ni und -der tandere Teil in Abhängigkeit einer Ausgangsgröße
(Drehzahl zag oder Drehmornent j112) bewegt. Das verwendete Getriebe inuß einerseits
stetige oder feinstufige Übersetzungsändeli-ung ermöglichen und andererseits das
eingestellte Übersetzungsverhältnis bei jeder Belastung ,genau einhalten.
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Hinsichtlich stetiger Übersetzungsänderung erweisen sich elektrische
Getriebe besonders günstig. Jedoch hält ein elektrisches Getriebe infolge der Ohmsch:en
Verluste und
des Einflusses der Ankerrückwirkung das Übersetzungsverhältnis
nicht bei jeder Größe der Belastung unverändert aufrecht. Es liegen ähnliche Verhältnisse
wie bei Leonard-.Antrieben vor. Aber trotzdem bestehen zwischen elektrischen Getrieben
zur wirtschaftlichen Regelung eines Brennkraftmotors und LeonardAntrieben grundlegende
-Unterschiede, die es nicht ermöglichen, die Fehlerkompensationseinrichtungen für
LeonardAntriebe auch für elektrische Getriebe zu verwenden. Bei Leonard-Antrieb
wird angestrebt, die Drehzahl m der Arbeitsniaschine gleichbleibend auf einem durch
die Steuerung vorgeschriebenen Werte zu halten, wobei die dabei sich einstellenden
Werte von Drehzahl ii.l der Anlaßniascliine und die erforderliche Antriebsleistung
N für (las Steuerverfahren belanglos sind. Beien elektrischen Getriebe zur wirtschaftlichen
Steuerung eines Brennkraftmotors müssen hingegen Drehzahl ii und Leistung X auf
der 13ingangsseite des Getriebes gleichbleibend auf einem durch die Steuerung vorgeschriebenen
Werte gehalten werden, während die Drehzahl n_ auf jenen Wert eingestellt werden
muß, der zusammen mit dein gleichzeitig auftretenden L astdrehrno-ment 1I.> der
Antriebsleistung tV das Gleichgewicht hält.
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Daraus ergibt sich, daß solche Anordnungen, die eine Kompensation
der Fehlerquellen in Abhängigkeit vom Lastverhältnis anstreben und die bei L eonard-Antrieben
einwandfrei verwendbar sind, beim elektrischen Getriebe zur wirtschaftlichsten Steuerung
eines Brennkraftinotors nicht ausreichen. Denn solche Anordnungen ir2lnnen weder
auf Antriebsleistung A' noch auf Antriebsdrehzahl u1 Rück-. licht. Es würden sich
also diese zwei Größenbei Änderung der Belastung ändern. Dadurch w iire es aber
nicht mehr möglich, den Brennkraftmotor entsprechend seiner wirtschaftlichsten Leistungskennlinie
zu betreiben.
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Man kann di, # Z'erliültnisse beine elektrischen Getriebe zur wirtschaftlichen
Regelung eines Brennkraftmotors auch nicht etwa als bloße L nikehrung des Regelvorganges
bei Leonard-Antrieben ansehen. Das wäre dann der Fall, wenn nur die Drehzahl iti,
nicht aber auch die Leistung IV des Brennkraftinotors gleichbleibend auf einem jeweils
vorgeschriebenen Werte gehalten werden müßte und wenn nicht gleichzeitig die Ausgangsdrehzahl
n. gewisse genau vorgeschriebene 1edinguligell zu erfüllen hätte. Es liegen also
liier wesentlich schwierigere Verhältnisse als beim Leonard-='@iltrieb vor.
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Daß unter diesen Verhältnissen überhaupt eine Fehlerkompensation möglich
ist, ist darin begründet, daß beim elektrischen Getriebe ini Gegensatz zum Leonard-Antri,eb
bei normalen Verhältnissen das Generatorfeld gleichgehaltenwird und dieRegelting
d:urchVerändern des Motorfeldes erfolgt. Dadurch ist der im Ankerstromkreis beider
Maschinen auftretende Strom J stets unmittelbar proportional dein Drehmoment.l-Ii
des Brennkraftmotors. Bei der wirtschaftlichsten Leistungskennlinie de.@ Brennkraftmotors
ist aber die Drehzahl n, und das Drehmoment 3T1 und somit auch der Ankerstro.ni
J eine eindeutige Funktion der Leistung A' des Brennkraftin otors. Es ist daher
in diesem Fall der Ankerstrom .l auch eine Funktion der Drehzahl i i, _'mf Grund
dieser Tatsache kann inan also die das Ubersetzungsverhältnis des elektrischen Getriebes
beeinflussenden Fehle rgrößeii als Funktion der Drehzahl n, und des Ubersetzungsverhältnisses
Ü auffassen. Da diese zwei Größen schon an sich durch den Steuerapparat für das
Übersetzungsverhältnis gegeben sind, so kann durch diese Werte auf Grund der gefunden,-n
Beziehungen die rehlerkompensation vom Übersetzungsregler durchgeführt werden.
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Die Erfindung besteht daher, kurz zusainmengefaßt, darin, daß in Vorrichtungen
zur selbsttätigen Einstellung des Übersttzungsverhältnisses eines mit einem Brennkraftniotor
gekuppelten elektrischen Getriebes der eingangs beschriebenen Art der von der Antriebsdrelizahl
in,) abhängig bewegte Teil der Einstellorganeentsprechend dem Produkt aus der DrMizahl(eil)
des Antriebsmotors und jener Funktion [f (11i)1 dieser Drehzahl verstellt wird,
die den Einfluß der Ohnischen und Bürstenübergangsverluste darstellt, während die
Einstellorgane i;in übrigen wie für ein verlustloses elektrisches Getriebe entworfen
und bewegt sind.
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Zum Zwecke des Ausgleichs des Einflusses der Feldverdrängung hei wechselnder
Belastung wird im Generatorteil des Getriebes in an sich bekannter Weise außer der
Feldwicklung für Fremderregung noch eine vorn Ankerstrom durchflossene Wicklung
solcher Größt= vorgesehen, dal dadurch der Einfluß der Feldverdrängung ini Generatorteil
aufgehoben wird. Im 1lotorteil besteht die fremderregte Feldwicklung zur Ausschaltung
des Einflusses der Feldverdrängung aus z«,ei unabhängigen Teilen, deren erster Teil
die für Leerlauf er forderlichen Amperewindungen und deren zweiter Teil die für
die Kompensation der Feldverdrängung erforder lieben Amperewindungen erzeugt. Letztere
werden durch einen :betvegliclien Kontakt auf einer beweglichen Kontaktplatte, deren
Einzelkoi:-takte mit wechselnd großen Widerständen verbunden sind, eingestellt,
indem Kontakt und Kontaktplatte eine gegenseitige relative F,ewegting ausführen,
die durch das Produkt
aus der Funktion f2 (n1), die den Einfluß
der Belastung auf die Feldverdrängung angibt, und der Funktion f1 [ii #
f (n1)], die den Einfluß des Übersetzungsverhältnisses auf die Feldverdrängung
angibt, bestimmt ist und vorzugsweise der Stimme der Logarithmen der Werte dieser
Funktionen entspricht.
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In der Zeichnung zeigen Fig. i, 2 und 3 Atisführungs:beispiele,der
Erfindung.
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Wenn man den Einfluß der Verluste und der Feldverdrängung außer acht
läßt, so ist beispielsweise bei einem bekannten elektrischen Getriebe, bestehend
aus zwei voneinander unabhängig fremderregten Gleichstrom.maschinen, deren Ankerwicklungen
in eineun in sich geschlossenen gemeinsamen Stromkreise liegen und :dessen Übersetzungsverhältnis
durch Veränderung des Erregerstromes der mit der anzutreibenden Welle gekuppelten
zweiten Maschine geändert wird, bei Gleichhaltung der Generatorerregung das Übersetzungsverhältnis
ü = %/112, gegeben durch die Gleichung f6 = I +-(a-ttt' C (i) worin
C einen durch die Bauweise bestimmten Festwert darstellt, während -0'"Z die Größe
des magnetischen Feldes im Motorteil bedeutet. Beim verlustlosen elektrischen Getrie@be
ist somit jedem Übersetzungsverhältnis eindeutig ein bestimmtes Erregerfeld -C@"l
hn Motorteil zugeordnet. Man kann daher längs der Isontakt:balin 3 des Kontaktstreifens
i (F'9. i), der vom Leistungsregler des Brennkraftmotors durch die Stange 2 proportional
dem Logarithmus der Drehzahl des Antriebsmotors log (st,) verschoben wird, die Verteilung
der Widerstände @, die die einzelnen Kontaktfelder verbinden, so durchführen, daß
vom Stromsammler 6 über die Kontakte 7 und 8 ein solcher Erregerstrom der Motorfeldwickjung
9 zugeführt wird, daß sich das Motorfeld bei Verschiebung der Kontakte 7, 8 längs
des Kontaktstreifens i nach der Funktion log (i +-O'",- C) verändert. Dann greifen
die Kontakte 7, 8, :die durch die Stange io proportional dein Logarithmus der Aus-angsdrehzahl
des Getriebes (log zi.) verschoben wird, jeweils das richtige bbersetzungs-\-ei-liältnis
ab.
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Bei Berücksichtigung der Oh inschen und Bürstenübergangsverluste nimmt
jedoch die Gleichung (i) die Form an: QIf (iti) (2)
worin f (n1) = i - Ci
(Eil + J ' R) In, (2.a) ist. In Gleichung (2a) bedeutet J dien Ankerstrom,
R den Widerstand beider Ankerwickltui,-;e.n,E" den Spannungsverlust an den Bürsten
und C1 einen bei gleichbleibender Generatorerregung nur von der Bauweise des Getriebes
abhängigen Festwert. Da, wie bereits erwähnt, die Generatorerregung gleichgehalten
wird, muß der Strom I unmittelbar propor tional dein v om Antriebsmotor erzeugten
Drehmoment sein. Letzteres ist aber bei einem Antrieb, wie hier eingangs vorausgesetzt,
eine Funktion der Drehzahl ;z,. Somit ist auch der Strom T eine eindeutige Funktion
der Drehzahl yi.l, und damit ist die rechte Seite der Gleichung (2a) tatsächlich
eine Funktion der Drehzahl iti. Man hat daher jetzt an Stelle der Gleichung (i)
folgernde Bedingungsgleichung für die Steuerung des Übersetzungsverhältnisses 2G'
f (721) - i +2"In' G (3)
Wenn man daher (Fig. i) längs der Kontaktbahn
3 die Erregung des Motorteiles nach der Funktion log (i +-(D"" # C) wie beim verlustlos-en
Getriebe einteilt, so m:uß bei Berücksichtigung der Ohmschen und Bürstenübergangsverluste
die Verschiebung des Kontaktstreifens i durch den Leistungsregler der Antriebsrnaschine
über die Stange -2 nach der Funktion [n1 # f (n,) ] erfolgen. Dann
wird durch die Kontakte 7 und 8 bei jeder Belastung eine solche Erregung eingestellt,
daß das Übersetztmgsverhältnis 77 von de Einfluh der Ohmschen und Bürstenübergangsverluste
unabhängig wird.
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Es ist klar, .daß die gleiche Wirkung erreicht wird, wenn man umgekehrt
den Kontaktstreifen i in Fig. i proportional dem Werte log n, und dafür -die Kontakte
7, 8 nach der Funktion log it,I f (rti) verschiebt.
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Zum Verständnis der Fig. i sei noch darauf hingewiesen, daß nach Gleichung
(i) bei ft = i (Stellung der Kontakte ;, 8 auf der Linie i i - i i des Kontaktstreifens
i) das Feld -0'"@ verschwinden muß. Wenn der Wert fi größer als i ist, wird das
Feld-O# "L positiv, und wenn der Wert ü kleiner als i ist, wird das Feld -Ph,L negativ.
Daher müssen in die Kontaktbahnen 3 und q. bei einem Werte ü= i Isolierstücke 12
eingesetzt werden, damit die Polarität an dieser Stelle umgekehrt werden kann.
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Größer als der Einfluß der Ohnischen und Bürsten.übergangsverluste
auf das Übersetzungsverhältnis eines elektrischen Getriebes ist der Einfluß der
Feldverdrängung durch den Ankerstrom im Motor- und Generatorteil.
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Im Gen.eratorteil liegen die Verhältnisse einfach, da der Generator
normalerweise stets init_ seinem Höchstwert gleichbleibend erregt ist. Man kann
daher im Generatorteil die Feldverdrängung mit genügender Genauigkeit dadurch ausgleichen,
daß :man auf den Magnetschenkeln des Generators außer der Feldt
@-icklung
17 für Fr.einderregung noch eine vorn Ankerstrom durchflossene Wicklung 18 aufbringt.
DieerforderlicheAmperewindungszahl dieser Kompensationswicklung ergibt sich aus
der Amperewindungszahldifferenz der Leerlauf- und Belastungskennlinien des Generators,
wobei außerdem noch auf die AnfahrverhältnisseRücksicht genommen werden muß.
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Zum Zwecke des Anfahrens muß nämlich ein Übersetzungsverhältnis i.
- unendlich vorliegen, da zwischen Antriebsmotor und Getriebe keine mechanische
Kupplung mehr vorlianden ist, die man schleifen lassen könnte. Das Übersetzungsverhältnis
Unendlich kann dadurch erreicht werden, daß für diesen Fall das Generatorfeld entsprechend
:geschwächt wird, während das Motorfeld gleichbleibend mit seinem Höchstwert erregt
:bleibt. Mit der Schwächung des Generatorfeldes nimmt das Übersetzungsverhältnis
ii. stetig zu, bis es schließlich unendlich wird. Man wird daher den Kontaktstreifen
13 (- Fig. :2) beispielsweise finit einer dritten Kontaktbali) i-. versehen. Während
die Kontaktbahnen 15 und 16 entsprechend den Kontaktbahnen 3 und q. in Fig. i die
Motorerregung einstellen, hat die Kontaktbahn id. die Generatorerregung zu schwächen,
wenn das größte Übersetzungsverhältnis bei ,rößtein Generatorfeld und :größtem Motor-,
g
feld nicht mehr ausreicht. Diese Schwächung des Generatorfeldes muß so weit
gehen, daß itn elektrischen Getriebe ein Übersetzungsverhältnis ii = unendlich
erreicht wird. Damit aber ü unendlich «-erden kann, darf die zusätzliche, 'vom Ankerstrom
durchflossene Feldwicklung 18 nicht so entworfen werden, daß die Erreichung eines
unendlich großen Übersetzungsverhältnisses nicht mehrmöglich ist, oder aber e' muß
eine Vorrichtung vorgesehen sein, daß diese zusätzliche Wicklung bei kleinen Drehzahlen
st., ausgeschaltet ist.
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lil Motorteil bann der Alrkerstrom jede Größe bei beliebiger Felderregung
-0"," annehmen. Die erforderlichen zusätzlichen Amperewindungen zur Aufhebung der
Feldcerdr<iiigung :find liier somit nicht nur ab-'ingig vom aiker'trom,
sondern auch von -iIr Erregung ini Motorteil, d. h. von dein cing-1-stellten Cbersetzungsverhältnis.
Für dzn rößten Ankerstrom können auf Grund der l,'elasttingskennlinie die erforderlichen
zusätzlichen Amperewindungen für Feldverdrängung (<Ibl'",tt"@) als Funktion der
Erregung -er"Z und somit nach Gleichung (2) als L# tiliktion von ii ° /-
(st,) dargestellt werden. Man hat somit bei grölitem Ankerstrom die Beziehung AfV"
lT2,Sd' ° t1 [Zi # f (11t)1 Bei kleineren Ankerströmen ermittelt inan finit -tnügender
Genauigkeit die erfot-dei-liclivn Aniperewindungen zur Aufhebung der Feldaerdrängung,
wenn man die Alk" ",Qa mit einem Faktor multipliziert, der sich durch Mittelwertsbesti:m@mung
aus der Belastungsk ennlinie für verschiedene Ankerströme ergibt und der- dargestellt
werden kann durch k = f' (J) Da, wie bereits erwähnt, bei dein vorausgesetzten
Antrieb der Ankerstrom J eine eindeutige Funktion der Drehzahl sil ist, kann auch
geschrieben werden: h = f, (aal) Damit ergeben sich aber die erforderlichen
zusätzlichen Amperewindungen zur Aufliebung der Feldverdrängung bei jeder Belastung
und jedem Übersetzungsverliiiltnis durch die Beziehung All" -
j@ # AIITV "tax - f-2 (j11) # f1 Lit # f (nt)@ (-1) oder log Ab) 1,
= log f= (111) -i- log f1 I11 ' f ("a1)1 Na) Auf Grund dieser Beziehung kann
die selbsttätige Korrektur der Feldverdrängung im Motorteil erzielt werden, wie
beispielsweise an Hand der Fig. 3 gezeigt «-erden soll.
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Durch den Hebel i9 (Leistungsregler) stellt der Fahrer die gewünschte
Antriebsleistung X ein. Dadurch wird einerseits über das Gestänge 2o, 21, 22223
und die Fiilirungskurve 24 die wirtschaftlichste Brennstoffzufuhr für die gewünschte
Leistung eingestellt. Anderseits wird über die Stange 25 der Schlitten 13 verschoben,
und zwar kann beispielsweise die Verteilung der Antriebsleistu:tig N längs der Verstellbahn
des Hebels i9 so gewählt «-erden, daß der Schlitten 13 gerade nach der Funkboa log
P-al # f (11l)1 verstellt wird.
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In Abhängigkeit von der Ausgangsdrehzahl des Getriebes wird beispielsweise
durch den Fliehkraftregler 2; die Stange 28 proportional dem log ia. verschoben,
wenn die Führungskurve 29 des Gelenkpunkte' 3o des Gestäilges 31 so geformt
ist, -daß sie die wegung der Reglermutte des Flielikraitreglui-; 27 in eine Bewegung
proportional dein log der Stange 28 und des damit fest verl)uncleneii Kontaktträgers
32 umwandelt. Auf Grund der früheren Ausführungen (-Gleicht")- 3) greifen dann die
Kontakte 33, 34 und 35 die richtigen Erregerströme für das augenblicklich erforderliche
Übersetzungsverhältnis ab, jedoch noch ohne Berücksichtigung der Feiderdrä ngung.
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Durch das fest gelagerte Zahnrad 36 wird .1ie Bewegung der Stange
2-8 in eine etltgegen--esetzte gleich große Bewegung der Stange 37 umgeformt, so
daß sich letztere proportional
dem Werte -log n2 bewegt. Gemeinsam
mit -dem Schlitten 13 wird die Stange 38 bewegt, und zwar, wie der Schlitten 13,
nach der Funktion log [%.- f (n,)]. Der Drehpunkt des Zahnrades 39, .das
frei beweglich zwischen diesen zwei Zahnstangen 37 und 3:8 liegt, und die mit diesem
Drehpunkt verbundene Zahnstange4o machen somit eine Bewegung von der Größe
log n., = log [ü - f (n,)]. Damit hat man aber das Argument
des zweiten Gliedes der rechten Seite der Gleichung (4a) erfaßt und kann somit in
Abhängigkeit von der Bewegung der Stange 4o .bzw. des mit dieser Zahnstange in Eingriff
stehenden festgelagerten Zahnrades 41 mittels des Doppelhebels 42, der fest mit
dem Zahnrad 41 verbunden ist, der Stange 44 und damit dem Kontakt 45 eine Bewegung
proportional log f, [ii - f (n,)] erteilen, wenn der Hebel 42 die Stange
44 über so geformte, kurvenförmig ,gebogene Gleitbahnen 43 verschiebt, daß durch
diese Gleitbahnen 43 die Drehbewegung log [ü - f (itl)] des Doppelhebels
42 in die Bewegung log f i [ü - f ;i,)] der Stange 44 umgeformt wird.
Da die Funktion fi [ü - f (n1)] - bei ü - f (n1) = z verschwindet,
weil in diesem Falle nach Gleichung (2) -0'm gleich Null wird, würde der Logarithmus
dieser Funktion an dieser Stelle unendlich werden. Aus dieseln Grunde muß der Verstellhe#be142
als Doppelhebel ausgeführt werden. Je nachdem ü - f (ni) größer oder kleiner
als r ist, kommt das eine oder andere Ende des Doppelhebels 42 in Eingriff mit der
entsprechenden Gleitbahn 43, während das ins Unendliche anwachsende Kurvenstück
im der nächsten Umgebung von il - f (n1) = r ausgeschaltet ist. Die
zusätzlichen Ampere-. wind@ungen brauchen ja nicht bis Null verfolgt zu vverden.
Die in Fig. 3 gezeichnete Stellung des Doppelhebels 42 entspräche somit einem augenblicklich
vorliegenden Betriebszustand ü - f (n,) = z. In Abhängigkeit von dem Leistungsregler
19 wird gleichzeitig über die Stangen 47 und 48 durch die entsprechend ,geformte
Führungskurve 49 dem Schlitten 5o entsprechend der Gleichung (4a) die Bewegung log
f 2 (ni) erteilt. Auf dem Schlitten 5o sirid Einzelkontakte angebracht, die durch
Widerstände so verbunden -sind, daß der Kontakt 45, wenn er längs des Schlittens
5o gleitet, jeweils einen solchen Erregerstrom abgreift, daß die zusätzlichen Amperewindungen
für die Feldverdrängung logarithmisch .mit der Verschie bung des Kontaktes zunehmen.
Dann sind durch das Zusammenarbeiten von Schlitten 5o und Kontakt 45 stets die Gleichung
(4a) erfüllt und die erforderlichen zusätzlichen Amperewindungen zur Kompensation
der Feldverdrängung im Motorteil selbsttätig richtig eingestellt.
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Die Leitungsanordnung zu Fig. 3 kann der Fi:g.2 entnommen werden.
5 1 ist die Erregerwicklung des Motorteiles, die durch den Schlitten 13 vom
Stromsammler 58 über die Kontakte 34 und 35 und die Leitungen 53 und 54 gespeist
wird. 52 ist die Wicklung zur Erzeugung der zusätzlichen AW für die Feldverdrängung
im Motorteil. Diese wird vom Stromsammler 58 über den Polumschalter 55# den Schlitten
5o, Kontakt 45 und .die Leitungen 56 und 57 gespeist. Der Umschalter 55 wird etwa
in Abhängigkeit von dem Zahnrad 41- umgeschaltet, wenn ü- f (n1) den Wert
i durchläuft, da ,auf Grund er Gleichung (2) in diesem Falle sich die Polarität
der Felderregung im Motorteil ändert.