DE3211275A1

DE3211275A1 - Drehzahlregelung von gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE3211275A1
Application number: DE19823211275
Authority: DE
Inventors: Stirling Alexander 48084 Troy Mich. McInnis
Original assignee: MCLNNIS STIRLING ALEXANDER
Current assignee: MCLNNIS STIRLING ALEXANDER
Priority date: 1981-04-07
Filing date: 1982-03-26
Publication date: 1982-11-11
Also published as: DE3211275C2; IT1150791B; GB2096408A; CA1164040A; US4346335A; FR2503480A1; IT8220622A0; GB2096408B; JPS57180390A

Description

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Die Erfindung betrifft im allgemeinen Gleichstrommotoren und im besonderen Drehzahlregelung von fremderregten oder als Nebenschluß gewickelten Elektromotoren. 5

Die Drehzahl eines Gleichstrommotors kann durch Veränderung der Feldstärke des Motors, durch Änderung der Ankerspannung oder durch Zuschalten eines Widerstands im Ankerkreis verändert werden. Beispielsweise kann die Drehzahl eines fremderregten oder als Nebenschluß gewickelten Motors durch eine Schwächung der Feldstärke erhöht werden, welche die Gegen-EMK verringert, die durch den Anker zur Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts zwischen Last, Gegen-EMK und wirkender EMK erzeugt wird. Obwohl eine Änderung der Feldstärke eine konstante Leistung schafft, ändert sich das Drehmoment des Motors im Drehzahlbereich, wenn der Ankerstrom und konstant gehalten wird. Somit erzeugt der Motor ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und ein niedriges Drehmoment bei hohen Drehzahlen. Diese Eigenschaft eines als Nebenschluß gewickelten oder fremd erregten Motors ergibt eine Schwierigkeit, wenn die Vorbelastung plötzlich erhöht wird, da die Drehzahl des Motors abfällt, wenn das Drehmoment nicht hinreicht, die neue Anforderung zu erfüllen. Es wirkt sich besonders nachteilig aus, wenn der Motor als Triebwerk für ein elektrisches Fahrzeug verwendet wird, bei dem ein hohes Drehmoment für Aufwärtsfahrten oder Uber-

holvorgänge erforderlich ist.
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Ein weiterer Gesichtspunkt für die Drehzahlregelung eines Motors durch Veränderung seiner Feldstärke ist der vorhandene Drehzahlbereich. Ein normaler als Nebenschluß gewickelter oder fremd erregter Motor kann durch

° ■ Abschwächen der Feldstärke eine Drehzahl bis zum 2,5fachen der Nenndrehzahl erreichen. Um jedoch einen erheblichen Abfall von der Nenndrehzahl zu erhalten,

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muß die Spannung im Ankerkreis herabgesetzt werden,weil die Feldstärke nicht über ihre Sollcharakteristik hinaus erhöht werden kann. Eine Nachstellung der Ankerspannung gilt, als unzweckmäßig, da dies den Aufwand und die Kosten der Motorregelung erhöht. Im Falle eines als

Nebenschluß gewickelten Motors wird der Drehzahlbereich noch weiter dadurch eingeengt, daß die wirkende EMK bei Anker und Feld gleich ist. Wenn somit die wirkende EMK eingestellt wird, um die Feldstärke zu verändern, JiO so schwankt auch der Anker strom.

Die Erfindung bietet einen neuartigen und verbesserten als Nebenschluß gewickelten oder fremd-erregten Gleichstrommotor mit einem großen Drehzahlbereich, der ein hohes Drehmoment bei hohen Drehzahlen erzeugen kann. Insbesondere weist der Motor einen neuartigen Ständer auf, der zwei Feldpole jeweils einer um einen Schaft gewickelten Polspule und mehrere fremderregte Feldsteuerspulen aufweist, die einzeln um die Feldpolschenkel gewickelt sind und eine Front- oder Oberfläche der Feldpole bilden. Erfindunaswesentlich ist ein Kern des Feldpols, der eine Magnetbahn zwischen Schaft und Oberfläche bildet. Der Kern ermöglicht es, daß der Induktionsfluß in den Feldpolen über die Oberfläche versetzt wird, wenn eine oder mehrere Feldsteuerspulen magnetisch im Gegensinn zwischen dem durch die FeId^- spulen erzeugten Fluß erregt werden, wie nachstehend näher erläutert wird. Erfindungsgemäß ist auch ein neuartiges Verfahren zur Drehzahlregelung als Nebenschluß

gewickelten oder fremd—erregten Motors vorgesehen.

Beim Start werden alle Feldsteuerspulen magnetisch in Richtung des Flusses erregt, der durch die Feldspulen erzeugt wird. Der Startzustand stellt die niedrigste Betriebsdrehzahl des Motors dar, wenn die Feldspulen und die Feldsteuerspulen zusammenwirken, um das Stärkstmögliche Feld zu erzeugen. Die Motordrehzahl kann von diesem Startzustand aus durch Abschalten der FeId-

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steuerspulen einer vorgegebenen Folge erhöht werden. Da jede Feldsteuerspule abgeschaltet wird, wird die Feldstärke abgeschwächt, wodurch die Gegen-EMK' herabgesetzt wird und sich die Motordrehzahl schrittweise erhöht. Die Motorarehzahl kann noch weiter durch Erregung der Feldsteuerspulen in einer vorgegebenen Folge erhöht werden, die magnetisch entgegen der Flußrichtung verläuft, die von den Feldspulen erzeugt wird. Damit verlagert sich der Induktionsfluß in den Feldpolen über die Oberfläche, so daß sich der von den Feldspulen erzeugte Fluß von den im Gegensinn erregten Feldsteuerspulen entfernt. Wenn z.B. Feldsteuerspulen im Gegensinn von oben nach unten erregt werden, so verlagert sich der Feldspulenfluß von oben nach unten, und zwar von den erreaten Feldsteuerspulen abgekehrt. Das bewirkt eine Verringerung der Zahl der aktiven Ankerwicklungen, vrodurch auch die vom Anker erzeugte Gegen-EMK kleiner wird. Wenn die Gegen-EMK kleiner wird, erhöht sich die Motorendrehzahl/ wobei ein Gleichgewicht zwischen Last , Gegen-EMK und wirkender EMK aufrecht erhalten wird. Daher können bei einer Erregung im Gegensinne aller Feldsteuerspulen weitere schrittweise Erhöhungen der Motordrehzahl erreicht werden. Diese kann anschließend verringert werden, indem die Folge der vorstehend beschriebenen Gänge umgekehrt wird.

Man erkennt, daß ein großer Drehzahlbereich mit dem erfindungsgemäßen neuen Motor und Drehzahlregelverfahren erreicht werden kann. Die Zahl der Drehzahlstufen hängt natürlich von der Zahl der Feldsteuerspulen bei den einzelnen Feldpolen ab. Außer der Regelung der Polarität der Feldsteuerspulen kann die an diesen Spulen anliegende Spannung auch verändert werden, um weitere

und mehr zusammenhängende Drehzahlstufen zu erzielen. 35

Wie erwähnt, besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung in der Möglichkeit, ein hohes Drehmoment bei hohen Dreh-

zahlen zu erzeugen. Wenn die Feldsteuerspulen in einer bestimmten Folge im Gegensinn erregt werden, wandert der Induktionsfluß in den Feldpolen über die Oberfläche, wodurch sich die Flußlinien auf einem engen Abschnitt der Polflächen konzentrieren. Diese enge, jedoch starke Flußbild ergibt ein hohes Drehmoment an den aktiven Windungen des Ankers.

Außerdem bietet die Erfindung eine neuartige Motor-

IQ steuerung, die besonders vorteilhaft ist,wenn der Motor zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs dient. Außer einer erfindungsgemäßen Drehzahlrecrelschaltung für einen Motor arbeitet die Motorsteuerung auch als regenerative Steuerschaltung zum Aufladen der Fahrzeugbatterie während des Bremsens. Wird die Beschleunigungsvorrichtung des Fahrzeugs freigegeben, beaufschlagt die Motorsteuerung alle Feldsteuerspulen magnetisch in Richtung des durch die Feldspulen erzeugten Induktionsflusses. Damit steigt die Gegen-EMK über die wirkende EMK an und ergibt eine Ladung, die an die Batterie des Fahrzeugs beim Bremsen zurückgeführt wird. Dadurch arbeitet der Motor beim Bremsen als Generator, der die Batterie neu auflädt und dynamische Bremskräfte für das Fahrzeug erzeugt.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Seitenriß eines Joches mit zwei sich gegenüberstehenden Feldpolen für einen erfindungsgemäßen Stator,

Fig. 2 einen Seitenriß eines Stators für einen erfindungsgemäßen Gleichstrommotor,

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Fig. 3 einen Stromlaufplan einer erf indungsgeinäßen Motorsteuerung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen erf indungsgeinäßen Ständer 10. In Fig. 1 ist ein Seitenriß eines Joches 12 mit zwei sich gegenüberliegenden Feldpole 14 und 16 dargestellt. Das Joch 12 bildet einen Rahmen für den Gleichstrommotor und besteht aus einem herkömmlichen offenen Zylinder. Die einzelnen Feldpole weisen einen Schaft 22, eine Oberfläche 20 und einen Kern 22 auf, der zwischen Schaft und Oberfläche angeordnet ist. Die Schäfte 18 sind am Joch 12 mit Bolzen 24 und 26 befestigt. Diese Bolzen können auch im Joch 12 versenkt angeordnet sein, damit sie nicht über die Außenfläche 28 des Joches hinausragen. Außerdem können die Schäfte 18 Joch 12 mit anderen herkömmlichen Vorrichtunaen wie Schwalbenschwanzverbindung und dergl. befestigt sein. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Feldpole 14 und 16 mit einer herkömmlichen Feldspule 29 versehen, die um die Schäfte 18 gewickelt sind.

Die Oberfläche 20 der Feldpole 14 und 16 werden durch mehrere Feldpolschenkel 30a - i gebildet, die radial nach innen ragen und eine öffnung zur Aufnahme eines Ankers 32 bilden. Die Feldpolschenkel 30a - i weisen Schlitze 34a - h zur Aufnahme mehrerer Feldsteuerspulen 36a - g auf (Fig. 2). Die Feldsteuerspulen 36a - g sind fremderregbar und einzeln um die Feldpolschenkel 30b -i gewickelt. Die äußeren Feldpolschenkel 30a und 3Oi an

^⁰ jedem Ende der Feldpole sind nicht mit einer Feldsteuerspule bestückt , können es jedoch je nach Anwendung sein.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Außenschlitze 34a und 34h in radialer Richtung kurzer als die Innenschlitze 34b - g (Fig. 1). Bei dieser Anordnung liegen die Feldsteuerspulen 36b, d und f zwi-

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sehen den Feldsteuerspulen 36a, c, e und g, von denen sie sich radial nach außen erstrecken. Damit bilden die Feldsteuerspulen 36a - g zwei Reihen, die· sich über die Oberflächen 20 der Feldpole 14 und 16 in einem sehr kompakten Aufbau erstrecken. Wie erwähnt, hängt die Anzahl der Drehzahlschritte mindestens teilweise von der Anzahl der Feldsteuerspulen ab, die an den Oberflächen 20 der Feldpole vorgesehen sind. Entsprechend können auch ähnliche Verfahren zum Wickeln der Feldsteuerspulen eingesetzt werden, um eine kompakte Konstruktion' zu ermöglichen.

Die Kerne 2.2 in den Feldpolen 14 und 16 sind ein wesentliches Merkmal der Erfindung. Die Kerne bilden einen Magnetpfad zwischen den Schäften 18 und den Oberflächen 20 und weisen eine genügend große radiale Tiefe auf, damit der Magnet- oder Induktionsfluß in den Feldpolen 14 und 16 über die Flächen 20 wandern kann, wenn eine oder mehrere Feldsteuerspulen 36a - g magne tisch in Gegenrichtung zu dem durch die Feldspule 29 erzeugten Fluß erregt werden.

Wie erwähnt, betrifft die Erfindung fremderregte oder als Nebenschluß gewickelte Gleichstrommotoren. Es wurde bereits erwähnt, daß die Feldsteuerspulen 36a - g fremderregt sind, so daß die Polarität bzw. die Stärke der Erregung einzeln gesteuert werden kann. Auch die Feldspulen 29 können in bekannter Weise fremderregt werden. Außerdem können die Feldspulen 29 zueinander und zum Ankerkreis parallelgeschaltet werden, wodurch sich ein als Nebenschluß gewickelter Motor ergibt. Andererseits können die Feldspulen 29 untereinander in Reihe und dann zum Ankerkreis parallelgeschaltet sein.

^° Es sei auch bemerkt, daß zwei andere sich gegenüberliegende Feldpole von einem vierpoligen Gleichstrommotor vorgesehen sein können. Je nach Anwendungsart können

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auch weitere Pole zugeschaltet werden. Bei Vier- oder Sechspolmotoren sind natürlich die Feldpole enger als bei der zweipoligen Auslegung der Fig. 1 und 2. Dies beeinflußt natürlich die Zahl der Feldsteuerspulen an den Flächenteilen der Feldpole. Vorzugsweise sollen jedoch mindestens drei Feldsteuerspulen vorgesehen sein, um über einen zweckmäßigen Bereich von Drehzahlabstufungen zu verfügen.

Erfindungsgemäß ist auch ein neuartiges Verfahren zur Regelung der Drehzahl von Nebenschluß- oder fremderregten Motoren vorgesehen. Beim Start werden alle Feldsteuerspulen 36a - g magnetisch in Richtung des Flusses erregt, der durch die Felspule 29 erzeugt wird.

D_er startzustand stellt die niedrigste Betriebsdrehzahl des Motors dar, wenn die Feldspulen 20 und die Feldsteuerspulen 36a - g zusammenwirken, um das stärkst mögliche Feld zu erzeugen. Von diesem Startzustand aus kann die Motorendrehzahl durch Abschalten der FeIdsteuerspulen 36a - g in einer vorgegebenen Folge erhöht werden. Wenn die einzelnen Feldsteuerspulen abgeschaltet werden, wird die Feldstärke abgeschwächt, wodurch auch die Gegen-EMK kleiner wird und eine stufenweise Erhöhung der Motorendrehzahl bewirkt. Beispiels-

²^ weise kann die Feldsteuerspule 36a zuerst abgeschaltet werden und dann die Spulen 36b, 36c usw. Andererseits kann zuerst die Feldsteuerspule 36g und dann die Spule 36f, Spule 36e abgeschaltet werden. Ebenso kann die Feldsteuerspule 36d zuerst abgeschaltet werden, worauf

die Spulen 36g, 36f, 36a, 36c usw. folgen. Für bestimmte Anwendungen können auch andere Reihenfolgen vorgesehen werden.

Die Motordrehzahl kann weiter dadurch erhöht werden, daß die Feldsteuerspulen in einer bestimmten Folge erregt werden, nämlich magnetisch im Gegensinn zu dem durch die Feldspulen erzeugten Fluß. Dadurch wandert

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der Induktionsfluß in den Feldpolen über die Oberfläche hinweg, so daß der durch die Feldspulen erzeugte Fluß von den im Gegensinn erregten Feldsteuerspulen abwandert. Wenn somit Feldsteuerspulen von oben nach unten in Gegenrichtung erregt werden, d.h. die Spule 36a - g, dann wandert der Induktionsfluß einer Feldspule von links nach rechts in abgekehrter Richtung der erregten Feldsteuerspulen. Dies bewirkt eine Verringerung der Zahl der unter Strom stehenden Ankerwicklungswindungen, wodurch die vom Anker erzeugte Gegen-EMK kleiner wird. Wenn diese abnimmt, erhöht sich die Motorendrehzahl, um ein Gleichgewicht zwischen Last, Gegen-EMK und wirkender EMK aufrecht zu erhalten. Wenn somit die einzelnen Feldsteuerspulen im Gegensinne erregt werden, kann eine weitere schrittweise Erhöhung der Motorendrehzahl erzielt werden. Obwohl vorzugsweise die Feldsteuerspulen 36a - g im Gegensinn von einem Ende der Feldpole zum anderen erregt werden, sind für entsprechende Anwendungen andere Reihenfolgen möglich.

Die gewählte Folge soll jedoch so verlaufen, daß die magnetischen Flußlinien sich über einem engen Abschnitt der Polflächen konzentrieren, um im hohen Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment zu erzeugen. Wenn beispielsweise die Feldsteuerspulen 36a - c im Gegensinn erregt werden, und die Spulen 36f und 36g abgeschaltet werden, so erzeugen die Schlitze 34f - h der Feldpole ein starkes Kraftlinienfeld. Dieses starke, jedoch enge Kraftlinienfeld erzeugt ein hohes Drehmoment an den unter Strom stehenden Windungen der

Ankerwicklung. Danach kann die Motorendrehzahl durch ι

Umkehr der oben beschriebenen Maßnahmenfolge herabgesetzt werden.

Mit dem neuartigen erfindungsgemäßen Verfahren der ^5 Motoren- und Drehzahlregelung kann ein großer Drehzahlbereich erzielt werden. Die Zahl der Drehzahlabstufungen hängt natürlich von der Zahl der bei jedem

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einzelnen Feldpol vorgesehenen Feldsteuerspulen ab.

Beispielsweise ergibt das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eine Gesamtzahl von 15 Drehzahlabstufungen durch Steuerung der Feldsteuerspulen 36a -g nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren. Es sei bemerkt, daß außer der Steuerung der Polarität der Feldsteuerspulen auch die an diesen Spulen anliegende Spannung verändert werden kann, um weitere kontinuierlichere Drehzahlschritte zu erhalten. Außerdem kann auch die an den Feldspulen 29 anliegende Spannung wie herkömmlich verändert werden.

Fig. 3 zeigt einen Stromlaufρlan einer erfindungsgemäßen Motorregelung 38. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Motorregelung 38 für ein Elektrofahrzeug gedacht. Es sei jedoch bemerkt, daß die Motorregeleinrichtung entsprechend für andere Anwendungen einer Motorregelung abgeändert werden kann. Die elektrische Stromquelle für den Gleichstrommotor sowie auch für die Motorregelüng 38 ist ein Batteriesatz 40. Dieser bildet keinen Teil der Erfindung und kann aus jeder geeigneten Gleichspannungsquelle bestehen. Die Motorregelung 38 weist einen Ankersteuerkreis 42, einen Feldspulenkreis 44 sowie einen Relaissteuerkreis 48 auf.

Der Ankerkreis 42 ist an eine positive Ausgangsleitung 50 und eine negative Ausgangsleitung 52 des Batteriesatzes 40 geführt. Der Ankerkreis 42 besitzt einen Unter brecher 54, die Motorrelaiskontakte 56, einen Paralleloder Meßwiderstand 58, einen herkömmlichen Ankerkreis A, einen Startwiderstand 60 sowie Zeitverzögerungskontakte 62 TDR. Die Kontakte 56 sind Arbeitskontakte und werden durch das Hauptmotorrelais MR im Relaissteuerkreis 48 gesteuert. Der Parallelwiderstand 58 dient zum Messen des Stroms im Ankersteuerkreis 42 und ist an ein Strommeßrelais AR im Relaissteuerkreis 48 über Leitungen 64 und 66 angeschlossen. Der Startwiderstand

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ist wie üblich mit dem Ankerkreis A in Reihe geschaltet, um beim Starten des Motors hohe Stromstöße zu vermeiden. Die Kontakte 62 sind zum Startwiderstand 60 parallelgeschaltet, um einen Kurzschlußweg an diesem Widerstand kurz nach dem Start des Motors zu schaffen. Die Kontakte 62 werden durch ein Zeitverzögerungsrelais TDR im Relaissteuerkreis 48 gesteuert.

Der Feldspulensteuerkreis 44 ist für die Fremderregung der Feldspule 29 an eine Gleichspannungsquelle 68 geführt. Der Feldspulensteuerkreis 44 kann jedoch auch parallel zu den Ausgangsleitungen 50 und 52 der Batterie 40 geschaltet sein und für bestimmte Anwendungen einen als Nebenschluß gewickelten Motor zu erhalten. Der Feldspulensteuerkreis 44 weist einen Unterbrechungsschalter 70, eine Sicherung 71, Relaiskontakte KR72, Feldwicklungen 29 sowie einen Magnetfeldregler 74 auf. Die Kontakte 72 werden durch ein Schloßrelais KR im Relaissteuerkreis 48 gesteuert. Bezüglich der Beschaltung der Feldspulen 29 sei bemerkt, daß die dargestellte Einzelspule ein Gattungsschaltelement ist und daß Feldspulen in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden können. Der Unterbrecherschalter 70 ist mit der positiven Ausgangsleitung 50 verbunden, so daß der Feldspulensteuerkreis 44 für Wartung=- oder Reparaturarbeiten von dor Stromquelle 68 abgeschaltet werden kann. Der Magnetfeldregler 74 dient zur Veränderung der an den Feldspulen 29 anliegenden Spannung, wodurch die Stärke des Magnetfeldes geregelt wird.

Der Unterbrecher 70, die Sicherung 71 und der Magnetfeldregler sind herkömmliche Bauteile und allgemein bekannt. Alle Schaltkreise im Motorregler 38 weisen einen Unterbrechungsschalter 70 und eine Sicherung 71 auf, mit Ausnahme des Ankersteuerkreises 42, bei dem ein Unterbrecher 54 für die hohen Stromstärken in diesem Schaltkreis vorgesehen ist.

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- /φι Der Relaissteuerkreis 48 ist auch an die Ausgangsleitungen 50 und 52 des Batteriesatzes angeschlossen. Der Relaissteuerkreis 48 dient zur Steuerung oder Erregung mehrerer Relais einschließlich der bereits beschriebenen Relais MR, TDR, AR und KR. Der Relaissteuerkreis 48 weist einen mit "STARTSCHLÜSSEL" bezeichneten Schalter 76 auf, der das Gegenstück zu einem schlüsselbedienten Zündschalter eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor ist. Wenn der Fahrer den Schalter "STARTSCHLÜSSEL" umlegt, wird das vom Schlüssel betätigte Relais KR erregt, wodurch alle Relaiskontakte KR der Motorregelschaltung 38 schließen. Wenn daher das Relais KR erregt wird, schließen die KR-Relaiskontakte 72 im Feldspulenkreis 44, wodurch dieser mit der Gleich-Spannungsquelle 68 verbunden wird. Der Relaissteuerkreis 48 auch mit einer Lampe 78 bestückt, die parallel zum Relais KR geschaltet ist. Die Lampe 78 dient als Sichtanzeige für den Fahrer, daß das Relais KR beaufschlagt und das Fahrzeug betriebsbereit ist.

Das Hauptmotorrelais MR im Relaissteuerkreis 48 wird durch einen Drosselschalter 80 gesteuert, der mit einem nicht gezeigten Beschleunigungspedal verbunden ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt der Drosselschalter 80, wenn der Fahrer beginnt, das Beschleunigungspedal niederzudrücken. Wenn das Hauptmotorrelais MR erregt wird,sdüLeßen die MR-Relaiskontakte 56 im Ankersteuerkreis 42, wodurch dieser mit der Batterie 40 verbunden wird. Der Relaissteuerkreis 48 enthält auch einen weiteren Satz von MR-Relaxskontakten 82 für die Steuerung des Zeitverzögerungsrelais TDR. Somit wird gleichzeitig mit dem Anschluß des AnkerSteuerkreises 42 an die Batterie das Zextverzögerungsrelais TDR beaufschlagt. Diese bleibt

"^ dann für eine gegebene Zeit nach seiner Ansteuerung offen und schließt dann, um den Startwiderstand 60 kurz-

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zuschließen. Es sei bemerkt, daß ein weiterer Satz von KR-Relaiskontakten 84 in Reihe mit dem Relais MR geschaltet ist. Dadurch wird sichergestellt, daß der Feldspulenkreis 44 stets vor dem Ankersteuerkreis 4 2 angesteuert wird, damit ein sonst mögliches Durchgehen des Motors verhindert wird.

Der Feldspulensteuerkreis 46 ist zwecks Fremderregung der Feldsteuerspulen 36a - g an eine Leitspannungsquelle 86 geführt. Der Feldspulensteuerkreis 46 weist die Feldsteuerspulen 36a - g, KR-Relaiskontakte 84 und vier Sätze von Polsteuerkontakten 88 - 94 auf. Die Kontakte 92 und 94 sind Ruhekontakte und stellen den Zustand dar, wenn die Feldsteuerspulen 36a - g magnetisch in Richtung des durch die Feldspulen 29 erzeugten Flusses erregt werden. Kontakte 88 und 90 sind Arbeitskontakte und dienen zur Umkehr der Polarität der Feldsteuerspulen 36a - g, so daß sie magnetisch entgegen der Flußrichtung erregt werden, die durch die FeIdspule 29 erzeugt wird. Somit werden die Kontakte 92 und 94 für die positive Polarität geschlossen und die Kontakte 88, 90 geöffnet. Ebenso werden für die negative Polarität die Kontakte 92 und 94 geöffnet, und die Kontakte 88 und 90 geschlossen. Die Kontakte 88 - 92 werden durch ein Polsteuerrelais TC im Relaiskreis 48 gesteuert, der durch einen drosselgesteuerten Schalter 96 beaufschlagt wird. Der Schaltzustand des Schalters 96 hängt von der Stellung des Beschleunigungspedals ab. Der Schalter 96 ist offen, wenn das Beschleunigungspedal nicht niedergedrückt wird. An einem Punkt auf dem Weg des Niederdrückens des Beschleunigungspedals schließt der Schalter 96, wodurch das Relais PC erregt wird und die Polung der Feldsteuerspulen

36a - g umgekehrt wird.
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Der vereinfachten Darstellung wegen sind nur die FeId-

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Steuerspulen 36a und 36g in Fig. 3 gezeigt. Es sei bemerkt, daß diese Feldsteuerspulen als Oberbegriff dargestellt sind. So kann die Feldsteuerspule 36a diese Spule in beiden Feldpolen 14 und 16 darstellen. Ande-ΓβΓΞθ^ε kann es anwendungsbedingt zweckmäßig sein, die Motorregelschaltung 38 mit einem eigenen Feldsteuerkreis 46 für jeden Feldpol auszustatten, so daß die FeIdsteuerspulen bei den Feldpolen getrennt geregelt werden können.

Die einzelnen Feldsteuerspulen 36a - g im Kreis 46 weisen zwei Kontaktgruppen auf, wie die Kontakte und 100 der Feldspule 36a und die Kontakte 102 und 104 der Spule 36g. Die Kontakte 98 und 102 sind Ruhekontakte, so daß die Spulen 36a und 36q (wio auch die anderen nicht gezeigten Feldsteuerspulen) magnetisch in Richtung des von den Feldspulen 29 erzeugten Flusses erregt werden, wenn das Beschleunigungspedal nicht niedergedrückt wird. Die Kontakte 98 und 102 können dann öffnen, um die Feldsteuerspulen in der vorstehend beschriebenen vorgegebenen Folge abzuschalten. Die Kontakte 98 und 102 werden durch drosselgesteuerte Relais betätigt. Ein solches Relais CA ist als Bauteil des Relaissteuerkreises 48 gezeigt. Das Relais CA steuert die Kontakte 98 der Feldsteuerspule 36a und wird durch einen drosselgesteuerten Schalter 106 erregt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die restlichen Relais zum Steuern der Ruhekontakte wie des Kontaktes 102 der anderen Feldsteuerspulen nicht in Fig. 3 gezeigt.

Der Feldsteuerspulenkreis 46 weist auch Kontakte der Spule 36a und Kontakte 104 der Spule 36g auf. Hier · handelt es sich um Arbeitskontakte, die ebenfalls durch drosselgesteuerte Relais wie das Relais CA betätigt werden. Die Kontakte 100 und 104 (sowie die anderen nicht gezeigten Arbeitskontakte) werden einge-

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setzt, wenn die Feldsteuerspulen 36a - g magnetisch in Gegenrichtung des von den Feldspulen 29 erzeugten Flusses erregt werden sollen. Somit schließen die Kontakte 100 um die Feldsteuerspule 36a im Gegensinne zu erregen und die Kontakte 104, und die Feldsteuerspule 36g in Gegenrichtung zu beaufschlagen. Dabei wird natürlich angenommen, daß die Spulen 36a und 36g bereits durch öffnen der Kontakte 98 und 102 abgeschaltet sind.

Somit verläuft eine Arbeitsfolge der Motorregelschaltung 38 wie folgt: Zuerst legt der Fahrer den Startschlüssel 76 um, wobei das Relais KR erregt wird. Damit wird der Feldspulenkreis 44 an die Spannungsquelle 68 und der Feldsteuerspulenkreis 46 an die Spannungsquelle 86 gelegt. In diesem Zustand werden alle Feldsteuerspulen 36a - g magnetisch in Richtung des durch die Feldspulen 29 erzeugten Flusses erregt. Wenn dann der Fahrer das Beschleunigungspedal leicht niederdrückt, schließt der Schalter 80, wodurch das Relais MR erregt und der Ankersteuerkreis 42 an die Batterie 40 angeschlossen wird. Diese Lage stellt den beschriebenen Startzustand dar. Wird das Beschleunigungspedal etwas weiter niedergedrückt, dann schließt der Schalter 106. Das öffnet die Kontakte 98 und schaltet die FeIdsteuerspule 36a ab. Bei abgeschalteter Spule 36a steigt die Motordrehzahl vom Startpunkt aus an. Wird das Beschleunigungspedal noch weiter niedergedrückt, so werden die anderen Feldsteuerspulen in einer vorgegebenen Folge über Schalter, Relais, Kontakte gleich dem Schal-

³^ ter 106, dem Relais CA und den Kontakten 98 abgeschaltet. Wenn dann das Beschleunigungspedal noch etwas weiter niedergedrückt wird, schließt der Schalter 96, und das Relais PC wird beaufschlagt. Dadurch öffnen die Kontakte 92 und 94, und die Kontakte 88 und 90 schließen. Jetzt können die Feldsteuerspulen 36a - g im Gegensinne erregt werden. Wenn dann das Beschleunigungspedal etwas weiter heruntergedrückt wird, schlies-

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sen die Kontakte 100, wodurch die Spule 36a magnetisch in Gegenrichtung zu den durch die Feldspulen 29 erzeugten Fluß erregt wird. Wenn das Beschleunigungspedal weiter niedergedrückt wird, so werden auch die restlichen Feld 'teuerspulen im Gegensinne erregt. Wenn dann das Beschleunigungspedal voll niedergedrückt ist, sind alle Arbeitskontakte wie die Kontakte 100 und 104 geschlossen. Jetzt läuft der Motor mit Höchstdrehzahl«

Das Elektrofahrzeug kann durch Freigeben des Beschleunigungspedals angehalten werden. Damit werden alle FGldsteuorspulen wieder magnetisch in Flußrichtung beaufschlagt. Das Relais MR bleibt jedoch erregt, bis der Strom im Ankersteuerkreis 42 auf einen bestimmten Punkt abfällt. Dieses Merkmal wird durch das Strommeßrelais AR und den bereits beschriebenen Parallelwiderstand 58 geboten. Der Zweck besteht darin, den Motor während des Bremsens als Generator laufen zu lassen, wodurch die Batterie neu aufgeladen und das Fahrzeug dynamisch oder über den Motor abgebremst wird. Wenn das Fahrzeug bremst, wird die vom Ankerkreis A erzeugte Gegen-EMK größer als die Wirk-EMK. Dadurch wird die Ladung an die Batterie 40 zurückgeführt. Wenn jedoch die Drehzahl abnimmt, nimmt auch die erzeugte EMK ab, worauf der Ankersteuerkreis 42 von der Batterie 40 abgeschaltet werden muß, ehe das Fahrzeug anhält. Denn sonst hört der Motor auf, als Generator zu arbeiten und kehrt zu seiner Funktion als Motor zurück, wodurch das Fahrzeug angetrieben wird, wenn es anhalten soll. Damit wird der

^ow Parallelwiderstand 58 zum Messen des Stromes im Ankerkreis 42 und zum Erregen des Relais AR auf einem vorgegebenen niedrigen Stromwert verwendet. Wenn das Relais AR erregt wird, schaltet das Relais MR ab, wobei der Ankersteuerkreis 42 von der Batterie 40 abgekoppelt

wird.

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Die Motorregelung 38 enthält auch einen Motorkühlkreis 108, der auch parallel zu den Ausgangsleitungen 50 und 52 der Batterie 40 geschaltet ist. Der Motorkühlkreis 108 weist einen Satz von KR-Relaiskontakten 110 und ein Gebläse oder einen Lüfter 112 auf. Da der Motor mit verschiedenen Drehzahlen arbeitet, ist es zweckmäßig, ein eigenes Luftgebläse zur Kühlung vorzusehen. Es sei bemerkt, daß der Motorkühlkreis 108 von herkömmlicher Bauart ist und für verschiedene Anwendungen nicht gebraucht werden mag.

Es sei bemerkt, daß auch andere Schalteinrichtungen für die Motorregelung 108 verwendet werden können, außer den oben beschriebenen Relais, um verschiedene Schaltfunktionen durchzuführen. Die Relais können durch herkömmliche elektronische Bausteine wie Schalttransistoren, gesteuerte Halbleitergleichrichter usw. ersetzt werden. Außerdem kann der erfindungsgemäße Elektromotor einen Mikrocomputer oder einen programmierbaren Regler als Grundlage für die Motorsteuerung bei entsprechenden Anwendungen verwenden.

Außer dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Stator für einen Gleichstrommotor, gekennzeichnet durch:

ein Joch (12) ,

mindestens zwei sich gegenüberstehende Feldpole (14, 16) mit jeweils einem am Joch (12) befestigten Schaft (18), einer Stirnfläche (20), die durch mehrere FeIdpolschenkel (30a-i) gebildet wird, die sich radial nach innen erstrecken und eine Bohrung zur Aufnahme eines Ankers (32) bilden sowie mit einem radial zwischen dem Schaft (18) und der Stirnfläche (20) angeordneten Kern (22), der einen magnetischen Weg zwischen dem Schaft

(18) und der Stirnfläche (20) legt, eine um den Schaft (18) der einzelnen Feldpole (14, 16) gewickelte Feldspule (29) und

durch mehrere fremderregbare FeIdsteuerspulen (36a-g), die einzeln um die Feldpolschenkel (30a-i) der einzelnen Feldpole (14, 16) gewickelt sind.
2. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (22) der Feldpole (14, 16) einen Induktionsfluß in den Feldpolen (14, 16) ermöglicht, der über die Stirnfläche (20) wandert, wenn eine oder mehrere Feldsteuerspulen (36a-g) magnetisch im Gegensinn zu dem durch die Feldspulen (29) erzeugten Fluß erregt werden, so daß der durch die Feldspulen (29) erzeugte Induktionsfluß von den im Gegensinne erregten Feldsteuerspulen (36a-g) (bzw. Feldsteuerspule) abwandert und auf einen vorgegebenen Teil der Stirnfläche (20) der Feldpole (14, 16) konzentriert wird.
3. Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (30a-i) der Feldpole (14, 16) Ritzel (34a-h) zur Aufnahme der FeIdsteuerspulen (36a-g) bilden.
4. Stator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Feldpole (14, 16) mindestens je drei Feldsteuerspulen (36a-g) aufweisen.
5. Stator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (34a-h) an jeder Seite der Feldpole (14, 16) einen Außenschlitz (34a-h) und mindestens zwei Innenschlitze (34b-34g) aufweisen, die zwischen den Außenschlitzen (34a-h) angeordnet sind und in radialer Richtung länger sind als die Außenschlitze (34a-h).
6. Stator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Feldsteuerspulen (36a-g) an jeder Seite der Feldpole (14, 16) eine äußere Feldsteuerspule (36b, d, f) sowie eine innere Feldsteuerspule (36a, c, e, g) aufweisen, die zwischen den Außenfeidsteuerspulen (36b, d, f) angeordnet sind und von dort aus radial nach außen ragen.
7. Stator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldpole (14, 16) sieben Feldsteuerspulen (36a-g) aufweisen, die aus zwei äußeren Feldsteuerspulen (36a, g) und fünf inneren Feldsteuerspulen (36b, c, d, e, f) bestehen. .
8. Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze zwei Außenschlitze (34a, h) und sechs Innenschlitze (34b, c, d, e, f, g) umfassen.

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9. Stator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei der inneren Feldsteuerspulen (36b, d, f) radial außerhalb der restlichen Feldsteuerspulen (36a, c, e, g) angeordnet sind.

10. Stator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er (10) zwei Paare sich gegenüberstehender Feldpole (14, 16) aufweist.

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111. Verbesserter Gleichstrommotor mit einem Anker, einem Kommutator, einem Joch und einer Bürste, gekennzeichnet durch mindestens zwei sich gegenüberstehende Feldpole (14, 16), die jeweils einen am Joch (12) befestigten Schaft (18), eine durch mehrere radial nach innen ragende und eine Bohrung zur Aufnahme des Ankers (32) formende Feldpolschenkel (30a - 3Oi) gebildete Stirnfläche (20) und einen Kern (22) aufweisen, der einen magnetischen Weg zwischen dem Schaft (18) und der Stirnfläche (20) aufbaut,

eine um den Schaft (18) eines jeden Feldpols (14, 16) gewickelte Feldspule (29) und,

durch mehrere fremderregbare einzeln um die Feldpolschenkel (30a- 3Oi) gewickelte Feldsteuerspulen (36a g), welche den durch die Feldspulen (29) erzeugte Induktionsfluß über die Stirnflächen (20) wandern lassen, wenn eine oder mehrere der Feldsteuerspulen (36a - g) magnetisch in Gegenrichtung des durch die Feldspulen (29) erzeugten Flusses erregt wird, so daß der von den Feldspulen (29) erzeugte Induktionsfluß von den im Gegensinn erregten Feldsteuerspulen (36a - g) hinwegversetzt und auf einem vorbestimmbaren Abschnitt der Stirnflächen (20) der Feldpole (14, 16) konzentriert wird.

12. Gleichstrommotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldsteuerspulen(36a - g) durch eine Gleichspannungsquelle (68, 86) in einer vorgegebenen Folge beaufschlagt werden, um die Drehzahl des Elektro-

^ow motors (10) zu regeln.

13. Gleichstrommotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (68, 86) die Feldsteuerspulen (36a - g) magnetisch im Gegensinn zu dem

durch die Feldspulen (29) erzeugten Fluß erregt, um die Drehzahl des Elektromotors (10) zu erhöhen.

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14. Gleichstrommotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (68, 86) eine oder mehrere Fel-dsteuerspulen (36a - g) magnetisch in Richtung des durch die Feldspulen (29) erzeugten Flusses erregt, um die Drehzahl des Gleichstrommotors (10) zu verringern.

15. Gleichstrommotor nach Anspruch 13, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Erregung von einer oder mehreren Feldsteuerspulen (36a - g) bei jedem Feldpol (14, 16) magnetisch im Gegensinn zu dem durch die Feldspulen (29) erzeugten Fluß den sich ergebenden Induktionsfluß über die Stirnfläche (20) der Feldspule (14, 16) wandern läßt, wodurch die durch den Anker (32) erzeugte Gegen-EMK verkleinert wird.

16. Gleichstrommotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldpolschenkel (30a - i) Schlitze (34a -

h) zur Aufnahme der Feldsteuerspulen (36a - 36g) bilden.

17. Gleichstrommotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Feldpole (14, 16) mindestens drei Feldsteuerspulen (36a - 36g) aufweisen.

18. Gleichstrommotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (34a - h) an jeder Seite der Feldpole (14, 16) einen Außenschlitz (34a, 34h)

^O aufweisen und daß mindestens zwei Innenschlitze (34b 34g) zwischen den Außenschlitzen (34a, h) angeordnet

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sind, wobei die Innenschlitze (34b - g) in radialer Richtung länger sind als die Außenschlitze (34a, h).

19. Gleichstrommotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß drei Feldsteuerspulen (36b, d, f) eine äußere Feldsteuerspule auf jeder Seite der Feldpole (14, 16) bilden und daß eine innere Feldsteuerspule (36d) zwischen den äußeren Feldsteuerspulen (36b, 36f) angeordnet ist und radial nach außen .ragt. 10

20. Gleichstrommotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Feldpole (14, 16) je sieben Feldsteuerspulen (36a - g) aufweisen, die sich aus zwei äußeren (36a, g) und fünf inneren (36b, c, d, e, f) Feldsteuerspulen zusammensetzen.

21. Gleichstrommotor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (34a - h) zwei äußere Schlitze (34a, h) und sechs innere Schlitze (34b - g) aufweisen.

22. Elektromotor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß drei innere Feldsteuerspulen (36b, d, f) in radialer Richtung außerhalb der restlichen Feldsteuerspulen (36a, c, e, g) angeordnet sind.

23. Gleichstrommotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß er (10) zwei Paare sich gegenüberstehender Feldpole (14, 16) aufweist.

24. Gleichstrommotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß er (10) ein Triebwerk für ein Elektrofahrzeug darstellt.

25. Verfahren zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit einem Joch, einem Anker, zwei sich gegenüberstehenden Feldpolen, die jeweils einen am Joch

. montierten Schaft aufweisen, mit einer durch mehrere Feldpolschenkel, die sich radial nach innen erstrecken und eine Bohrung zur Aufnahme des Ankers formen, gebildete Stirnfläche und einem Kern, der einen magnetischen Weg zwischen dem Schaft und der Stirnfläche legt, weiter mit einer auf den Schaft der einzelnen Feldpole gewickelten Feldspule und mehreren fremderregbaren Feldsteuerspulen, die einzeln um die Feldpolschenkel der einzelnen Feldpole gewickelt sind, gekennzeichnet durch:

(a) Erregen von einer oder mehreren Feldsteuerspulen magnetisch im Gegensinn zu dem durch die Feldspulen erzeugten Induktionsflußy um die Drehzahl des Gleichstrommotors dadurch zu erhöhen, daß man bewirkt, den durch die Feldspulen erzeugten Induktionsfluß über die Stirnflächen so wandern zu lassen, daß er von der oder den im Gegensinn erregten Feldsteuerspulen wegwandert und auf einem vorher bestimmbaren Abschnitt der Feldpolstirnflächen konzentriert wird,

(b) Abschalten der in Gegenrichtung erregten Feldsteuerspulen , um die Drehzahl des Gleichstrommotors zu verringern und

(c) Erregen von einer oder mehreren Feldsteuerspulen magnetisch in der Richtung des von den Feldsteuerspulen erzeugten Induktionsflusses, um die Drehzahl des Gleichstrommotors weiter zu verringern.

26· Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Feldsteuerspulen bei den einzelnen Feldpolen magnetisch im Gegensinn zu dem durch die Feldspulen erzeugten Fluß erregt werden wodurch eine Verkleinerung der vom Anker durch Verminderung einer unter Strom stehenden Windungen erzeugten Gegen-EMK bewirkt wird.

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27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldsteuerspulen in einer vorgegebenen Folge beaufschlagt werden, um Drehzahlabstufungen des Gleichstrommotors zu erzeugen. 5

28. Verfahren zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit einem Joch, einem Anker, zwei sich gegenüberstehenden Feldpolen, die jeweils einen am Joch montierten Schaft aufweisen, mit einer durch mehrere radial nach innen ragenden Feldpolschenkel, die dort eine Bohrung zur Aufnahme des Ankers formen, gebildete Stirnfläche und einem Kern, der einen Magnetweg zwischen dem Schaft und der Stirnfläche legt, sodann mit einer um den Schaft der · einzelnen Feldpole gewickelten Feldspule und mehreren fremderregbaren Feldsteuerspulen, die einzeln die Feldpolschenkel eines jeden Feldpols gewickelt sind, gekennzeichnet durch:

(a) Erregen aller Feldsteuerspulen magnetisch im Sinne des durch die Feldspule im Startzustand

erzeugten Flusses,

(b) Abschalten der einzelnen Feldsteuerspulen nach einer voraegebenen Folge, um ein. schrittweises Erhöhen der Drehzahl des Gleichstrommotors vom Start aus zu erzielen,

(c) Erregen nach einer vorgegebenen Reihenfolge der Feldsteuerspulen magnetisch im Gegensinn zu dem durch die Feldspulen erzeugten Fluß, um die Drehzahl des Gleichstrommotors zu erhöhen,

(d) Abschalten der im Gegensinn erregten Feldsteuerspulen nach einer vorgegebenen Folge, um die Drehzahl des Gleichstrommotors schrittweise zu verringern und
(e) Erregen der Feldsteuerspulen magnetisch im

Sinne des durch die Feldspulen erzeugten

Flusses, um die Drehzahl des Gleichstrommotors

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weiter zu verkleinern.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Feldsteuerspulen maqnetisch im Gegensinn zu dem durch die Feldspulen erzeugten Fluß in daraus entstehenden Induktionsfluß über die Stirnflächen der Feldpole wandern läßt und damit eine Verkleinerung der durch den Anker infolge der Verringerung der Zahl der unter Strom stehenden Ankerwindungen erzeugten Gegen-EMK bewirkt.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet/ daß am Gleichstrommotor mindestens drei Feldsteuerspulen vorgesehen sind.