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Schleifringlose Synchron-und Asynchronmaschine Für elektrische Maschinen,
die beispielsweise zum Laden von Akkumulatoren auf durch Verbrennungskraftmaschinen
angetriebenen Fahrzeugen oder auch in Luftfahrzeugen verwendet werden, wird neuerdings
die Forderung gestellt, daß sowohl Schleifringe als auch Kommutatoren vermieden
werden sollen. Schleifringlose Synchronmaschinen sind an sich bekannt. Bei solchen
Maschinen wird beispielsweise im Ständer neben der Hauptwicklung eine Hilfswicklung
mit einer anderen Polteilung als die Hauptwicklung und im Läufer außer der gleichmäßig
verteilten ein- oder mehrphasigen Haupterregerwicklung eine mehrphasige Hilfswicklung
vorgesehen, die die gleiche Polteilung wie die Hilfswicklung im Ständer besitzt
und über Gleichrichter mit der Haupterregerwicklung im Läufer verbunden wird. Gegebenenfalls
können bei diesen Maschinen die den beiden verschiedenpoligen Feldern zugeordneten
Ströme in ein und derselben Wicklung überlagert werden. Nachteilig ist bei diesen
Maschinen jedoch, daß sie umlaufende Gleichrichter benötigen.
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Zum Laden von Akkumulatoren ist daher bereits eine Anordnung bekanntgeworden,
die aus zwei in Kaskade geschalteten Maschinen mit kleinem Kurzschlußverhältnis
besteht, bei der umlaufende Gleichrichter vermieden werden. Bei dieser bekannten
Anordnung wird die Ständerwicklung des ersten Generators mit Gleichstrom erregt;
mit dem Drehstrom, der hierdurch in der zugehörigen mehrphasigen, verteilten Läuferwicklung
induziert wird, wird die ebenfalls mehrphasige, verteilte Läuferwicklung des mit
dem ersten Generator gekuppelten zweiten Generators gespeist, so daß in der Ständerwicklung
des zweiten Generators ein Strom induziert wird, der dann nach Gleichrichtung zum
Laden des Akkumulators verwendet wird. Durch das kleine Kurzschlußverhältnis der
verwendeten Maschine wird erreicht, daß der durch den Erregerstrom verursachte Strombelag
klein gegenüber dem Laststrombelag ist, so daß der von der Anordnung abgegebene
Strom im wesentlichen unabhängig von der Spannung und Frequenz allein durch die
Größe der Läuferströme bestimmt wird. Sind diese Läuferströme konstant, so gibt
die Anordnung, solange sich keine Sättigung bemerkbar macht, bei allen Drehzahlen
und Spannungen auch einen nahezu konstanten Strom ab. Die Maschine nimmt dabei stets
die Spannung an, die durch den Akkumulator bestimmt wird.
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Die Erfindung befaßt sich mit der weiteren Verbesserung einer schleifringlosen
Synchron- oder Asynchronmaschine mit zwei nicht miteinander gekoppelten Wicklungssystemen,
bei der das in der Ständerwicklung des ersten Wicklungssystems durch Gleichstrom
oder Wechselstrom niedriger Frequenz erregte Feld einen Strom in der zugehörigen
Läufer-Wicklung induziert, mit dem die Läuferwicklung des anderen Wicklungssystems
gespeist wird, deren Feld dann in der zugehörigen Ständerwicklung des zweiten Wicklungssystems
einen Strom induziert. Gemäß der Erfindung weisen die beiden Ständerwicklungen jeweils
pro Pol eine einzige Spule auf, deren Spulenseiten jeweils in einer Nut angeordnet
sind. Vorteilhafterweise wird hierbei die Anordnung derart getroffen, daß die Spulenseiten
aneinandergrenzender Spulen in einer einzigen Nut untergebracht werden. Es empfiehlt
sich dabei, für die schleifringlose Synchron- oder Asynchronmaschine die Polpaarteilung
p gleich Eins zu wählen.
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Bildet man die Ständerwicklung des zweiten Wicklungssystems mehrphasig
aus, so wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens der die Ständerwicklung des
zweiten Wicklungssystems tragende Ständer je Polpaar mit einer der Phasenzahl entsprechenden
Anzahl von Polen versehen. Beispielsweise bei dreiphasiger Ausführung wird also
die Ständerwicklung des zweiten Wicklungssystems etwa nach Art der Erregerwicklung
der bekannten Siemens-Lydall-Maschine bzw. Scherbius-Maschine mit einem Wicklungsschritt
von 120° ausgeführt und erhält mithin längs des Umfanges drei Nuten, in denen jeweils
die zwei Spulenseiten aneinandergrenzender Spulen liegen.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgesehen, mindestens
eine der beiden Läuferwicklungen nach Art einer Käfigwicklung als Einstabwicklung
auszuführen, deren Stabenden auf der einen Seite durch einen Kurzschlußring miteinander
verbunden sind, während sie auf der anderen Seite jeweils mit den zugehörigen Stabenden
bzw. Anschlußklemmen
der anderen Läuferwicklung verbunden werden.
Auf diese Weise ist eine wesentlich bessere Nutausnutzung und damit auch eine bessere
Ausnutzung der Läufer ermöglicht, als es bei den bekannten schleifringlosen Synchronmaschinen
der Fall ist, bei denen die Läufer verteilte Mehrphasenwicklungen tragen.
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Die beiden Wicklungssysteme einer gemäß der Erfindung ausgebildeten
schleifringlosen Synchronmaschine oder Asynchronmaschine können mit gleicher Polpaarzahl
oder mit ungleicher Polpaarzahl ausgerüstet werden. Wählt man für beide Wicklungssysteme
gleiche Polpaarzahl, so empfiehlt es sich in an sich bekannter Weise, die beiden
Läuferwicklungen nach Art von Käfigwicklungen als Einstabwicklungen auszubilden,
deren Stabenden auf der einen Seite durch Kurzschlußringe miteinander verbunden
werden, während auf der anderen Seite der beiden Läuferwicklungen jeweils die Stäbe
der einen Läuferwicklung mit den Stäben der anderen Läuferwicklung mit vertauschter
Phasenfolge verbunden sind.
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Es ist jedoch auch möglich, die beiden Wicklungssysteme mit ungleichen
Polpaarzahlen zu versehen. `'orzugsweise wird man hierzu das Polpaarverhältnis
1: 2 wählen. In diesem Fall empfiehlt es sich, die niedrigpolige Läuferwicklung
nach Art einer Käfigwicklung als Einstabwicklung .auszubilden, deren Stabenden auf
der einen Seite durch einen Kurzschlußring miteinander verbunden werden, während
die Stabenden auf der anderen Seite mit in Reihe oder parallel geschalteten Wicklungsgruppen
der Läuferwicklung des zweiten Wicklungssystems verbunden sind. Auch hierbei ist
es vorteilhaft, die beiden Läuferwicklungen derart miteinander zu verbinden, daß
die Phasenfolge der beiden Läuferwicklungen vertauscht ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Fig. 1 als Ausführungsbeispiel
die Schaltungsanordnung einer gemäß der Erfindung ausgebildeten schleifringlosen
Synchronmaschine wiedergegeben, mit der ein auf einem Fahrzeug befindlicher Akkumulator
geladen wird. Während in der Fig. 1 die Ständerwicklungen dieser schleifringlosen
Synchronmaschine schematisch angedeutet sind, geben die Fig. 2 und 3 die gemäß der
Erfindung vorgesehene Ausbildung der Ständerwicklungen in verschiedenen Ansichten
im einzelnen wieder.
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Die schleifringlose Synchronmaschine besteht aus den beiden die gleiche
Polpaarzahl aufweisenden Wicklungssystemen 1 und 2, die sich in den miteinander
gekuppelten Maschinen 3 und 4 befinden. Die Ständerwicklung 5 des Wicklungssystems
1 wird über den Schalter 6 von der Gleichrichteranordnung 7 mit Gleichstrom gespeist,
während die Ständerwicklung 9 des Wicklungssystems2 an die Eingangsklemmen der Gleichrichteranordnung
7 angeschlossen ist, zu deren Ausgangsklemmen der Akkumulator 8 über den Gleichrichter
10 parallel geschaltet ist. Die beiden Wicklungssysteme l und 2, deren Läuferwicklungen
11 und 12 unmittelbar miteinander verbunden sind, haben also gleiche Polpaarzahlen.
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Die Ständerwicklung 5 wird mit Gleichstrom gespeist, während die die
Gleichrichteranordnung 7 speisende Ständerwicklung 9 einphasig ist. Demzufolge sind
bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 die beiden Ständer der Maschine 3 und
4 in gleicher Weise ausgebildet, wie es in den Fig. 2 und 3 wiedergegeben ist. Die
Fig. 2 gibt einen Schnitt durch die das Wicklungsystem 1 tragende Maschine 3 wieder.
Das Ständerblechpaket 18 ist finit den beiden Nuten 19 und 20 versehen, in denen
jeweils eine Spulenseite der die Ständerwicklung 5 bildenden Spulen 21 und 22 eingelegt
ist. Die Spulen 21 und 22 sind als normale Polspulen ausgebildet, deren nicht dargestellte
Wickelköpfe nach oben und unten abgebogen sind. Sie können daher außerhalb der Maschine
fertiggestellt und dann in die offenen Nuten 19 und 20 eingelegt werden. Die gemäß
der Erfindung vorgesehene Ausbildung der Ständerwicklung ermöglicht mithin bei den
in Rede stehenden schleifringlosen Synchronmaschinen eine erhebliche Vereinfachung
des Ständeraufbaus, während bei den bekannten schleifringlosen Synchronmaschinen
verteilte Ständerwicklungen vorgesehen waren, die unter hohem Zeit- und Arbeitsaufwand
in halb geschlossene Nuten eingeträufelt werden müssen.
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Das von der Welle 24 getragene Läuferblechpaket 23 ist mit sechs kreisrunden
Nuten versehen, in denen sich die Läuferstäbe a bis f befinden.
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Damit ein etwa störendes Querfeld abgedämpft wird, ist beim Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 bis 3 in den Ständern der beiden Maschinen 3 und 4 eine Dämpferwicklung
angeordnet, die aus den beiden Stäben 25 und 26 besteht, die durch nicht dargestellte
Kurzschlußringe zu beiden Seiten eines jeden Ständerblechpaketes kurzgeschlossen
sind. Etwa noch erforderliche weitere Dämpferstäbe müssen durch gesonderte Kurzschlußbügel
verbunden werden, damit die Wicklungsachsen dieser weiteren Dämpferwicklung stets
senkrecht zu der aus den Spulen 21 und 22 bestehenden Ständerwicklung bleiben.
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Zur Gewichtseinsparung kann ferner der Schnitt der Ständerbleche der
Form angepaßt werden, die durch die die Ständerwicklung aufnehmenden Nuten bedingt
ist. Demzufolge sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 die Ständerbleche mit
den Ausnehmungen 27 und 28 versehen.
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Die beiden Läuferwicklungen 13 und 14 sind nach Art von Käfigwicklungen
als Einstabwicklungen ausgebildet, und zwar bestehen beide Läuferwicklungen aus
jeweils sechs Stäben a bis f bzw. a' bis f'. Die Enden dieser
Stäbe sind auf der einen Seite jeweils durch die Kurzschlußringe 13 und 14 miteinander
verbunden. Auf den einander zugekehrten Seiten der Läuferwicklungen sind die Stäbe
der einen Wicklung unmittelbar mit den Stäben der anderen Wicklung verbunden. Diese
Verbindungen sind dabei so getroffen, daß die Phasenfolge in der Läuferwicklung
11 gegenüber der Phasenfolge in der Läuferwicklung 12 vertauscht ist.
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Wird durch die Gleichstromerregung der Ständerwicklung 5 in der Läuferwicklung
11 beispielsweise ein rechtsumlaufendes Drehfeld hervorgerufen, so entsteht infolge
der vertauschten Phasenfolge der Stäbe der Läuferwicklungen in der Läuferwicklung
12 ein linksumlaufendes Drehfeld. Beträgt die mechanische Drehzahl der miteinander
gekuppelten, von einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine angetriebenen
Läufer beispielsweise 3000 U/inin, so entsteht in der Läuferwicklung 11 ein rechtsumlaufendes
Drehfeld mit einer Drehungsfrequenz von 50 Hz. Infolge der Phasenvertauschung entsteht
in der Läuferwicklung 12 ein linksumlaufendes Drehfeld, also ein in Drehrichtung
umlaufendes Drehfeld, das eine Drehungsfrequenz von 100 Hz hat. Da die Ständerwicklung
9 des Wicklungssystems 2 von diesem Drehfeld durchsetzt wird, entsteht in der Ständerwicklung
9 ein Drehstrom von 100 Hz, der durch die Gleichrichteranordnung 7 gleichgerichtet
wird.
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Die von der Anordnung abgegebene Leistung wird je zur Hälfte von den
beiden Maschinen 3 und 4 aufgebracht, da die mechanische Leistung einer jeden Maschine
ihrer mechanischen Drehungsfrequenz, die
für beide Maschinen gleich
ist, und dem Drehmoment, das als Produkt von Strom und Feld ebenfalls für beide
Maschinen gleich ist, entspricht. Die von der Läuferwicklung 11 elektrisch an die
Läuferwicklung 12 abgegebene Leistung wird unmittelbar transformatorisch auf die
Ständerwicklung9 des Wicklungssystems 2 übertragen, so daß die Ständerwicklung 9
die zweifache Leistung abgibt, obgleich die das Wicklungssystem 2 aufnehmende Maschine
4 lediglich für die einfache Leistung bemessen zu werden braucht.
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Da die beiden Maschinen 3 und 4 ein kleines Kurzschlußverhältnis haben,
also mit kleinem Luftspalt ausgeführt sind, arbeiten sie von einer bestimmten Drehzahl
ab im ganzen Drehzahlbereich ohne Regler mit praktisch gleichbleibendem Strom, dessen
Größe lediglich durch die Größe des der Ständerwicklung 5 zugeführten Erregerstromes
bestimmt ist. Die Spannung paßt sich dabei selbständig der Spannung des Gleichstromnetzes,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel also der Spannung des Akkumulators 8, an. Die
Anordnung ist daher besonders zum Laden von Akkumulatoren geeignet. Wird der Strom
der Ständerwicklung 9 unterhalb einer bestimmten Drehzahl zu Null, so sperrt die
Gleichrichteranordnung 7 selbständig jeden Rückstrom.
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Solange beim Anlauf der Maschinen 3 und 4 die von der Ständerwicklung
9 abgegebene Spannung noch kleiner als die Spannung des Akkumulators 8 ist, kann
die Maschine 4 keinen Strom abgeben. Die Gleichrichteranordnung 7 sowie der Gleichrichter
10, dessen Durchlaßrichtung in Richtung des Ladestromes liegt, verhindern in diesem
Fall, daß sich der Akkumulator 8 über die Ständerwicklung 9 oder über die Ständerwicklung
5 entlädt. Hingegen fließt über die zum Gleichrichter 10 parallel geschaltete Meldelampe
15. die einen hohen Widerstand hat, ein kleiner Strom, der sich über die Ständerwicklung5
schließt, jedoch nicht zur Erregung des Wicklungssystems 1 ausreicht. Durch das
Aufleuchten der Meldelampe 15 wird angezeigt, daß der Akkumulator 8 noch nicht von
der Maschine 4 geladen wird.
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Von einer bestimmten Drehzahl an setzt beim Hochlaufen der Maschinen
3 und 4 infolge des Restmagnetismus die Selbsterregung der Anordnung ein. Sobald
die von der Ständerwicklung 9 abgegebene Spannung die Spannung des Akkumulators
8 überschreitet, fließt ein Ladestrom von der Ständerwicklung 9 zum Akkumulator
B. Gleichzeitig wird die Ständerwicklung 5 von der Ständerwicklung 9 über die Gleichrichteranordnung
7 gespeist. Die Meldelampe 15 erlischt, sobald der Akkumulator 8 über die Gleichrichteranordnung
7 geladen wird.
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Ist der Akkumulator 8 nahezu aufgeladen, so steigt seine Spannung
an. Mit Hilfe des Schützes 16 wird von einem bestimmten Spannungswert ab der Schalter
6 geöffnet und mithin die Erregung der Anordnung durch die Ständerwicklung 5 abgeschaltet.
Die Ständerwicklung 9 wird infolgedessen spannungslos. Durch die Sperrwirkung der
Gleichrichteranordnung 7 wird in diesem Fall verhindert, daß die Meldelampe 15 aufleuchtet.
Durch die beschriebene Schaltungsanordnung wird erreicht, daß die Anordnung unerregt
bleibt, solange die von der Anordnung abgegebene Spannung infolge zu kleiner Drehzahl
unterhalb der Spannung des aufzuladenden Akkumulators liegt, ohne daß hierzu zusätzliche
Schalt- und Steuereinrichtungen erforderlich sind.
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Die Ständerwicklung des zweiten Wicklungssystems kann aber auch mehrphasig
ausgebildet werden. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in den Fig. 4 und 5 wiedergegeben.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der
Fig. 1 bis 3 vor allem dadurch, daß die Ständerwicklung 9 dreiphasig ausgebildet
ist. Während also der Ständer der Maschine 3 im einzelnen entsprechend der Fig.
2 aufgebaut ist, ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 der die dreiphasige Wicklung
9 tragende Ständer der Maschine 4 gemäß dem Schnitt der Fig. 5 ausgeführt. Das Blechpaket
dieses Ständers enthält pro Polpaar eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von
Polen, also infolge der dreiphasigen Ausbildung die Pole29, 30 und 31. Jeder Pol
ist jeweils von einer einzigen Spule umschlossen, und zwar der Pol 29 von der Spule
32, der Pol 30 von der Spule 33 und der Pol 31 von der Spule 34. Das in der Fig.
5 dargestellte Ständerblechpaket weist also längs des Umfanges drei Nuten auf, in
denen jeweils zwei Spulenseiten aneinandergrenzeiider Spulen liegen.
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Zur Aufhebung störender Querfelder ist die aus den Stäben 35, 36 und
37 bestehende Dämpferwicklung vorgesehen. Die Dämpferstäbe befinden sich jeweils
in der Mitte eines der drei Pole und sind über einen nicht dargestellten Kurzschlußring
miteinander verbunden. Demzufolge läßt dieser Dämpferkäfig den Hauptfluß ungehindert
hindurch und spricht lediglich auf Störfelder an.
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Während bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 die Läuferwicklungen
der beiden Maschinen in gleicher Weise ausgebildet sind, unterscheidet sich dieses
Ausführungsbeispiel jedoch vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 dadurch, daß
zur Speisung der Ständerwicklung 5 mit Gleichstrom die gesonderte Erregergleichrichteranordnung17
vorgesehen ist. Hierdurch entfällt der Gleichrichter 10 der Fig. 1, der für den
Höchstwert des Ladestromes und die volle Akkumulatorspannung bemessen werden muß.
Hingegen braucht die in der Fig. 4 vorgesehene gesonderte Erregergleichrichteranordnung
17 lediglich für den verhältnismäßig kleinen Erregerstrom der Ständerwicklung 5
bemessen zu werden. Die einen hohen Widerstand aufweisende Meldelampe 15 wird hierbei
zwischen die Gleichrichteranordnung 7 und die Erregergleichrichteranordnung 17 geschaltet.
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Zur Gewichtseinsparung kann die Form des Ständerblechpaketes der durch
die Pole und Nuten bedingten Form angepaßt werden. Die Bleche des in der Fig. 5
dargestellten Ständers sind gemäß der Fig. 6 mit den Ausnehmungen 38, 39 und 40
versehen.
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Es ist weiterhin möglich, parallel zu der die Anordnung erregenden
Ständerwicklung des ersten Wicklungssystems einen Widerstand mit nicht geradliniger
Charakteristik zu schalten. Dieser Widerstand kann beispielsweise als spannungsabhängiger
oder als wärmeabhängiger Widerstand, der von einem durch die Akkumulatorenspannung
gespeisten Widerstand geheizt wird, ausgeführt werden. Mit zunehmender Akkumulatorspannung
nimmt der Widerstandswert dieses Widerstandes ab, so daß der durch die Ständerwicklung
des ersten Wicklungssystems fließende Erregerstrom mit steigender Akkumulatorspannung
nicht zunimmt, sondern je nach der Bemessung des parallel geschalteten nicht geradlinigen
Widerstandes entweder konstant bleibt oder sogar abnimmt. Der Widerstand kann auch
derart bemessen werden, daß die Erregung der Anordnung oberhalb eines bestimmten
Wertes der Akkumulatorspannung zusammenbricht, so daß dann der in den Ausführungsbeispielen
der Fig. 1 und 2 an sich zur Beendigung des Ladevorganges vorgesehene Schalter 6
und das Schütz 16 in Fortfall kommen. Bei einer solchen Anordnung sind
sämtliche
Kontakte vermieden, was für bestimmte Verwendungszwecke von besonderem Vorteil ist.
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In den Ausführungsbeispielen ist bisher stets angenommen worden, daß
die Ständerwicklung des ersten Wicklungssystems mit Gleichstrom gespeist wird, so
daß die Anordnung als schleifringlose Synchronmaschine arbeitet und sich besonders
günstig zum Laden von Akkumulatoren auch dann eignet, wenn sie mit stark veränderlicher
Drehzahl angetrieben wird, wie es beispielsweise bei Kraftfahrzeugen der Fall ist.
Die Anordnung kann aber auch für Zugbeleuchtungszwecke eingesetzt werden. Wird jedoch
die Ständerwicklung des ersten Wicklungssystems nicht mit Gleichstrom, sondern mit
Wechselstrom, vorzugsweise mit niederfreqentem Drehstrom, gespeist, so ergibt sich
eine schleifringlose Asynchronmaschine, der die Schlupfleistung im Ständer entnommen
bzw. zugeführt wird. Solche Maschinen sind für Anlagen geeignet, bei denen eine
Drehzahlregelung erwünscht, Schleifringe und Bürsten aber mit Rücksicht auf örtliche
Verhältnisse nicht anwendbar sind.