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Bei Wechselstrom-und Drehstromkollektormasehinen tritt bekanntlich ausser der auch bei Gleich- strommasehinen auftretenden Reaktanzspannung der Kommutation die sogenannte Transformatorspannung auf. die in den durch die Bürsten kurzgeschlossenen Windungen seitens des Hauptfeldes induziert wird und Kurzschlussströme über die Bürsten hervorruft, welche bei Überschreitung gewisser Werte zu Bürstenfeuer Anlass geben. Die Transformatorspannung ändert sich mit der Tourenzahl der Maschine, nimmt vom Stillstand an bis zur synchronen Tourenzahl ab, bei welcher sie den Wert Null erreicht und steigt im übersynehronen Bereich wieder an.
Ihre Aufhebung kann durch die für die Bekämpfung der Reaktanzspannung angewendeten Wendepole nur für eine ganz bestimmte Drehzahl vollständig erfolgen,
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die unter den Bürsten auftretenden Kurzschlussströme begrenzen sollen. Im übrigen ist es bisher notwendig gewesen. die Transformator-EMK unterhalb eines bestimmten durch die Kommutation erforderten Wertes zu halten. Dies hat, wie bekannt, zur Verminderung der angewendeten Periodenzahlen und zur Begrenzung des Flusses pro Pol und damit auch der Leistung pro Pol geführt. Es ist demnach nur
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werden sollten.
Ausserdem zwingt die Begrenzung der Transformator-EME zwischen benachbarten Segmenten zur Wahl von Ankerparallelwieldungen schon bei vergleichsweise kleinen Leistungen und dementsprechend niedrigen Kollektorspannungen, grossen Kol1ektorströmen und Verlusten. Ein weiteres bekanntes Mittel ist die Verkürzung des Wicklungsschrittes zur Verringerung des von jeder Windung umfassten Flusses. Selbstverständlich verschlechtert sich hiedurch die Ausnutzung der Wicklung bei Vermehrung der Strumwärme-und Kollektorübergangsverluste.
Es wurde auch bereits mehrfach vorgeschlagen, die zwischen zwei normalerweise benachbarten Kollektorlamellen auftretende Spannung zu unterteilen und Zwischensegmente einzuschieben, die an Teilspannungen angeschlossen werden. Die bereits bekannten Schaltungen ben tzell meist den Anschluss der Zwischensegmente an innerhalb der Windung liegende Punkte der Hauptwicklung, eine praktisch schwierig durchzuführende Lösung. Sofern eigene Wicklungen für diesen Zweck verwendet wurden, bestehen bei den bekannten Lösungen Schwierigkeiten bezüglich des Durchtrittes des Hauptstromes einerseits und anderseits in der Frage der parallel zu der Hauptwicklung durch die Spannungsteilerwicklung fliessenden Ströme und dgl. mehr.
Bevor auf die erfindungsgemässen Ausführungen näher eingegangen wird, mögen die Spannungs-und Stromverteilungsverhältnisse einer derartigen Anordnung kurz untersucht werden. Hiebei wird zur Voraussetzung gemacht, dass die Bedingungen, die durch die Ausführung nach der vorliegenden Erfindung sich ergeben, tatsächlich erreicht werden. In Fig. 1 ist eine derartige Anordnung prinzipiell aufgezeichnet, wobei die Vorgangsweise der Spannungsteilung selbst unberücksichtigt bleiben soll. Die Segmente EI, K2 sind direkt an die Wicklung angeschlossen, während die eingeschobenen Segmente Kl', K'j"durch Vermittlung irgend welcher Spannungsteiler, die an entsprechenden Punkten angezapft sind, Teilspannungen erhalten.
Die Bürsten Bi bzw. B2 in Fig. 1 werden nun je nach ihrer Breite mit einem Drittel bzw. zwei Drittel der Gesamtspannung beansprucht (bl='cX'.
-=2T : ). Die so sich ergebenden Werte müssen nun unterhalb der zulässigen Grenze liegen.
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Das Verhalten des in die Hauptwicklung eintretenden Betriebsstromes in den verschiedenen relativen Lagen der Bürste B zeigt Fig. 2a bis M für das gewählte Beispiel. Jb sei der volle Bürstenstrom. In der Stellung der Bürste laut Fig. 2a wird der Strom Jh zur Gänze über Lamelle K1 in die Wicklung eintreten und sich dort in der bekannten Weise verteilen. In Fig. 2b steht die Bürste auf Lamelle K1'. Der eintretende Strom verzweigt sich im Spannungsteiler, u. zw. unter der Voraussetzung gleicher Ohmscher
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Aus Vorstehendem geht hervor, dass durch den Einbau der Spannungsteilersegmente die Kommutationsperiode zwischen den Bürstenstellungen 2a und 2d (welche den Bürstenstellungen auf benachbarten Segmenten bei den üblichen Wicklungsanordnungen entsprechen) in symmetrische Teile unterteilt wird und die Kommutationsverhältnisse der ganzen Periode sich bei sonst gleichen Verhältnissen der Hauptwicklung durch den Spannungsteiler im wesentlichen nicht verändern. Allerdings ist in den Zwischenstellungen der Bürsten Fig. 2b und 2c zwischen Hauptwicklung und Bürste der Kombinationswiderstand der beiden Spannungsteilerwieklungsabschnitte in Serie vorgeschaltet und dadurch der Gesamtwiderstand des Ankerstromkreises zeitweise erhöht.
Nun wird im allgemeinen die Spannung der Hauptwicklung, deren Ohmscher und induktiver Spannungsabfall und der Spannungsabfall an den Bürsten einer wesentlichen höheren Grössenordnung angehören, als die oben erwähnten zusätzlichen Spannungsabfälle. Die Ohmschen Widerstände können übrigens durch entsprechende Bemessung der Kollektorverbindungen der Hauptsegmente K1 und K2 leieht abgeglichen werden. Die Selbstinduktion des Spannungsteilers kann durch die weiter unten beschriebene Anordnung bis auf verschwindend kleine, praktisch vernachlässigbare Beträge herabgesetzt werden.
Die Spannungsteilung selbst kann prinzipiell sowohl auf Ohmschem als auch induktivem Weg vor sich gehen, z. B. durch Anordnung von eigenen Wicklungen, -in ihrer einfachsten Form, Drosselspulen, die die Spannungsteilung auf induktivem Weg besorgen. Sämtliche erfindungsgemässe Anordnungen weisen als gemeinsames Merkmal das Vorhandensein eigener, vom Hauptfeld der Maschine getrennter magnetischer Kreise für die Spannungsteilerwicklungen, welcher Form sie auch sein mögen, auf. Das heisst, die Spannungsteilung wird nicht abhängig gemacht von dem Hauptfeld der Masebine.
Fig. 3 stellt eine Anordnung dar, bei der die Spannungsteilung durch Anwendung von Drosselspulen, welche entsprechende Anzapfungen für die Teilspannungen erhalten, vorgenommen wird. In Fig. 3 sind die Drosselspulen mit getrennten magnetischen Kreisen angenommen, selbstverständlich ist es, wie weiter unten beschrieben, auch möglich, gemeinsame magnetische Kreise zu verwenden. Ferner wurde in der Figur Spannungsteilung in bloss je zwei Teile zwischen je zwei Hauptsegmenten angenommen. Zwischen Kollektor und Hauptwieklung ist ein aus lamelliertem Blech bestehender Hilfsankerkörper H angeordnet, der in der angedeuteten Weise bewickelt ist.
Jede der zur Spannungsteilung dienenden Drosselspulen Di, Ds usw. besitzt je einen getrennten magnetischen Kreis (0i, 0s), deren Kraftlinienwege in der Figur angedeutet sind. Der Rückschluss der im übrigen getrennt verlaufenden KrafLflüsse erfolgt zwecks Raumersparnis über gemeinsame Stege. Auch können zur besseren Raumausnutzung beide Schenkel des Hilfsankerkörpers bewickelt werden. Führt man die Drosselspulenwieklung so aus, dass die Ausbildung von Streufeldern zwischen den beiden Abschnitten ab und be gering wird, was nach den gleichen Grundsätzen wie im Transformatorenbau (z.
B. Röhrenwicklung mit geringem Abstand) leicht erreicht werden kann, so bilden die beiden Abschnitte ab und bc für den Betriebsstrom, der sich bei Speisung über das Zwischensegment in gleiche Teile aufteilt, die Primär-und Sekundärwicklung eines Transformators, bei dem die magnetisierenden Wirkungen der Primär-und Sekundär-AW auf den magnetischen Kreis einander aufheben. Das heisst : der Betriebsstrom erzeugt ausser der, durch die leicht gering zu haltende S'reuung bestimmten Kurzschlussspannung des so gebildeten Transformators keinen induktiven Spannungsabfall. Der Ohmsche Spannungsabfall aber wird, abgesehen von den oben erwähnten Umständen, dadurch sehr klein, dass die beiden Abschnitte des Spannungsteilers ab und be für den Betriebsstrom parallel geschaltet sind.
Der Magnetisierungsstrom i, m jedes magnetischen Kreises wird aus der Hauptwicklung entnommen, u. zw. entsprechen die Flüsse 01 O2 usw. den jeweiligen Transformatorspannungen e, und der im Anker herrschenden Periodenzahl (Sehlupfperiodenzahl). Da bei gleichbleibendem Hauptfeld e. der Periodenzahl proportional ist, ist der zur Erzeugung der gesamten Transformatorspannung dienende Fluss bei allen Periodenzahlen, d. h. also bei allen Umdrehungszahlen der Maschine konstant und ebenso der erforderliche Magnetisierungsstrom t..,, für den die Wicklung dauernd zu bemessen ist.
Zu bemerken ist, dass die Spannungsteilerwicklungen ebenso wie die Windungen der Hauptwicklung einen
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in sich geschlossenen Stromkreis bilden und dementsprechend auch ein Teil des Aussenstromes sich über diese Wicklung schliesst, was nach Massgabe des Verhältnisses der Widerstände der Spannungsteilerwicklung und Hauptwicklung vor sich gehen wird. Der Widerstand der Spannungsteilerwicklung wird infolge seiner grossen induktiven Komponente ausserhalb des Synchronismus den Stromdurchgang durch die Spannungsteilerwicklung praktisch unmöglich machen. Durch geringe Vergrösserung des Ohmschen Widerstandes der Spannungsteilerwicklung kann diese Stromkomponente und ihre Verluste aber auch im Synchronismus leicht auf praktisch nicht in Betracht kommende Werte heruntergedrückt werden.
Das Vektordiagramm der unter dem Einfluss der Transformator-EMK fliessenden Ströme zeigt Fig. 4, für die in Fig. 3 gezeichnete Anordnung mit Zweiteilung der Transformatorspannung. Der
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Wicklung entsprechen, was ausgedrückt werden kann durch im'#im"=2im. Hiebei ist keinerlei Ohmscher und induktiver, durch Streufelder hervorgerufener Spannungsabfall der Ströme im' und i"," berücksichtigt worden. Die Berücksichtigung der Spannungsabfälle des auch durch die Hauptwicklung fliessenden Stromes im" würde eine Verminderung der auf die Bürste wirkenden Segmentspannung ergeben.
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung von getrennten magnetischen Kreisen für die Spannungs- teilerwieklungen hat den Nachteil, dass die Magnetisierungs-AW für jeden magnetischen Kreis für sich in der vollen erforderlichen Höhe aufgebracht werden müssen, und die entsprechenden Ströme nicht nur in der Spannungsteilerwicklung, sondern auch in der Hauptwicklung Verluste hervorrufen.
Es kann jedoch auch eine geschlossene gleichstromwickhing als Spannungsteilerwicklung verwendet werden, Sg Fig. 5, die entsprechend viele Windungen aufweist, um den Anschluss der Hauptund Zwischensegmente zu ermöglichen. (Im gezeichneten Fall Dreiteilung der Transformator-EMK. daher je zwei Zwischensegmente.) Erfindungsgemäss wird die so ausgebildete Gleiehstromhilfswieklung Sg mit einem eigenen magnetischen Kreis verkettet, u. zw. nach Fig. 6a dadurch, dass diese Wicklung in Nuten eines eigenen Hilfsankerkörpers As hineingelegt wird. Entsprechend den der Hilfswicklung aufgedrückten Spannungen, welche im Hauptanker Ah erzeugt werden, wird im Hilfsanker ein Drehfeld erregt, das synchron mit dem Hauptfeld rotiert. Dieses Drehfeld weist daher ebenso wie das Hauptfeld
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frequenz auf.
Je nach der Grösse der Unterteilung der Segmentspannung zwischen je zwei Hauptsegmenten und je nach dem Aufbau der Gleiehstromhilfswieklung wird die Grösse des Hilfsflusses im Verhältnis zum Hauptfluss bestimmt. Selbstverständlich kann zur Herabsetzung des notwendigen Hilfsflusses auch mehr als eine Windung pro Segment für die Hilfswicklung gewählt werden und die Hilfswieklung statt wie in der Figur gezeichnet als Parallelwicklung, als Serienwicklung ausgeführt werden.
Zur Vermeidung der Ausbildung von Streufeldern (induktiven Spannungsabfällen des Betriebsstromes) werden erfindungsgemäss die zu einem Spannungsteiler gehörenden Windungen (das sind die
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Fig. 3 darstellen) in gemeinsame Nuten gelegt (in Fig. 5 gehören je drei Windungen bzw. Windungsgruppen zu einem Spannungsteiler).
Der magnetische Kreis für die Spannungsteilerwicklung kann nun erfindungsgemäss einen geschlossenen Eisenkreis darstellen, der zur Gänze mitrotiert, oder auch über einen stillstehenden Teil sich schliesst.
Der geschlossene magnetische Kreis kann wie in Fig. 6a angedeutet, durch einen eigenen Hilfs- ankerkörper gebildet werden, der zwischen Hauptanker J. ;, und Kollektor K eingebaut wird und die Spannungsteilerwieklung S. q in gesehlossenen Nuten aufnimmt. Oder es wird laut Fig. 6b die Spannungsteilerwicklung Sg im Hauptankerkörper Ah untergebracht, derart. dass sich das magnetische Hilfsfeld 0., der Spannungsteilerwieklung unabhängig Vom Hauptfeld Oh ausbilden kann. Die Kraftlinienwege des Haupt-und Hilfsfeldes sind in der Figur eingezeichnet. Durch diese letztgenannte Anordnung wird an Baulänge der Maschinen'gewonnen.
Es kann aber auch der Rückschluss des Spannungsteilerfeldes über den Ständer erfolgen und ist dabei erfindungsgemäss die Anordnung nach Fig. 7 so getroffen, dass die Spannungsteilerwicklung in einem magnetischen getrennten Hilfsanker A. in offenen oder halbgeschlossenen Nuten ähnlich wie die Hauptwicklung untergebracht ist, der in einer Verlängerung Si/ ! des Hauptständers St der Maschine rotiert. Dieser Ständer Ste kann auch mit einer Ständerwicklung W1. versehen werden, welche eine
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Verlängerung der Ständerwicklung W darstellt. Auf diese Weise kann die Spannungsteilerwicklung zur Drehmomentsbildung bzw. zur aktiven Mitarbeit herangezogen werden.
Die Maschine besteht dann aus zwei hintereinander angeordneten Teilen, von denen der Hauptteil mit grossem Kraftfluss pro Pol, der Hilfsteil mit entsprechend kleinerem arbeitet und die TransformatorSpannung pro Segment von dem kleineren magnetischen Fluss des Hilfsteiles bestimmt wird. Die Hauptwicklung ist nur an einem Teil der Segmente angeschlossen, die regelmässig in gleichem Abstande wiederkehren. Die Wieklung des Hilfsteiles führt während der Kommutationsperiode, d. h. während des Überganges der Bürsten vom einen zum nächsten Kollektorhauptsegment kurz-eitig in den betreffenden zwischengeschalteten Teilen den Betriebsstrom der Hauptwicklung, im übrigen aber arbeitet der Hilfsteil wie eine selbständige auf der gleichen Welle sitzende Maschine.
Die Hilfswieldung bedeutet in keinem Falle eine Erschwerung der Betriebskommutation in bezug auf die auftretende Reaktanzspannung, da der durch sie sich schliessende Aussenstrom, abgesehen von der leicht möglichen Niedrighaltung dieses Stromes, nie eine höhere wirksame Reaktanzspannung als der Hauptstrom erzeugen kann. Jeder grössere Wert der Reaktanzspannung würde durch einen Ausgleichsstrom, der sich über die parallel geschalteten Windungen der Hauptwicklung schliesst, aufgehoben werden. Praktisch ergeben sich die Verhältnisse sogar so, dass die Reaktanzspannung der Kommutation in der
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Hauptwicklung in die Hilfswicklung übertreten, der die Reaktanzspannung in der Hauptwicklung vermindert. Mit anderen Worten, die Betriebskommutation wird durch die Parallelschaltung der Spannungsteilerwicklung verbessert.
Bei der letztgenannten Anordnung nach Fig. 7 ist ohne weiteres auch die Fortsetzung der Wendepolzone des Hauptteiles in den Hilfsteil möglich, so dass auch die Spannungsteiler- wicklung durch die Wendepole beeinflusst werden kann.
PATENT-ANSPRÜCHE : l. Einrichtung zur Verminderung der Transformatorspannung von KollektormasehiJ1en mit Hilfe von zwischen den mit der Ankerwicklung verbundenen Hauptsegmenten eingeschalteten Zwischensegmenten, wobei zwischen je zwei Hauptsegmente induktive Widerstände eingeschaltet sind, die entsprechende Anzapfungen zum Anschluss der Zwischensegmente erhalten, wobei die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hauptsegmenten eingeschalteten Wieklungsabschnitte auf gemeinsamen Eisenkernen aufgewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kerne vom Hauptfeld der Maschine getrennte
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Kreise über gemeinsame Joche oder Stege erfolgen kann.