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Einphasen- oder Mehrphasenkollektormaschine mit mehrfach geschlossenen Ankerwicklungs- zügen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Einphasen-oder Mehrphasen-Wechselstromkollektor- maschine, geeignet für hohe transformatorische Lamellenspannungen, bei der zur Dämpfung der unter den Bürsten entstehenden Kurzschlussströme der Widerstand der ganzen Ankerwicklung oder eines grossen Teiles derselben herangezogen werden kann, so dass sich die Anordnung besonderer Widerstandsverbinder erübrigt.
Wechselstromkollektormotoren mit hoher transformatorischer Lamellenspannung kommen vor allem beim elektrischen Bahnbetrieb in Betracht, wenn die Motoren mit Industriefrequenz betrieben werden sollen. Bei Übertragung durch Stirnzahnräder ist die Baulänge der Motoren in axialer Länge beschränkt, es ist daher vom Vorteil, wenn trotz hoher transformatorischer Lamellenspannung auch ohne Widerstandsverbinder das Auslangen gefunden werden kann. Zu diesem Zweck wird auf die bekannte Bauart gegriffen, die mehrfach geschlossene Wicklungszüge und entsprechend schmale Bürsten aufweist, so dass durch dieselben niemals zwei benachbarte, demselben Wicklungszug angehörende Lamellen überbrückt werden. Derartige Bauarten wurden bereits mehrfach vorgeschlagen.
Man glaubte dadurch der ansonst vom pulsierenden Hauptfeld hervorgerufenen Kurzschlussströme unter den Bürsten Herr geworden zu sein und führte das beim Lauf solcher Maschinen trotzdem beobachtete Funken auf die aufeinanderfolgende Speisung und Unterbrechung der einzelnen Anker- wicklungszüge mit dem Betriebsstrom zurück. Die bekanntgewordenen Vorschläge befassen sich demzufolge mit der Verminderung dieser Unterbrechungsspannung des Betriebsstromes. Im folgenden wird jedoch gezeigt, dass bei derartigen Ankern in bestimmten Bürstenstellungen sich dennoch die transformatorische Lamellenspannung voll auswirken kann und sich unter den Bürsten Kurzschlusskreise bilden, die allerdings nicht einzelne Windungen, sondern die parallelgeschalteten Ankerwicklungs- züge in Reihenschaltung durchfliessen.
Im Anschluss an diese Erkenntnis werden die Mittel zur Unschädlichmachung dieser Kurzschlussspannungen sowie auch der Ohmschen Spannungsabfälle an den zur Abschaltung gelangenden Wieklungszügen bekanntgegeben.
Der Umstand, dass die Kurzschlussströme die einzelnen geschlossenen Wicklungszüge in Reihenschaltung durchfliessen, ermöglicht es, im Gegensatz zu Motoren, deren Bürsten benachbarte, zum gleichen Wicklungszug gehörende Lamellen überbrücken, die nur während der Anfahrt im erheblichen Masse auftretenden Kurzschlussleistungen von der Ankerwicklung aufnehmen zu lassen, so dass von besonderen Widerstandsverbindem selbst bei hohen transformatorischen Lamellenspannungen abgesehen werden kann.
Bei besonders hohen transformatorischen Lamellenspannungen, wie diese die Motoren mit der Schaltung nach Winter-Eichberg aufweisen, die aber ein für den Fahrbetrieb günstiges Bremsverhalten aufweisen und auch eine verlustfreie Phasenkompensation ermöglichen, wird zur ausreichenden Dämpfung der Kurzschlussströme ein etwas höherer Wert des Ankerwiderstandes vorgesehen werden müssen. Falls dies im aktiven Teil der Wicklung geschieht, so werden die höheren regulären Kupferverluste durch eine entsprechende Minderung der zusätzlichen Kupferverluste aufgehoben.
Die erwähnten Kurzschlussstrome treten sowohl bei abgetreppten als auch bei nicht abgetreppten Wicklungen auf, jedoch ergeben die abgetreppten Wicklungen günstigere Kombinationen der Widerstände im Kurzschlusskreis und eine gleichmässigere Verteilung der Unterbrechungsspannungen an den ablaufenden Lamellen der einzelnen Wicklungszüge. Diese Spannungen können durch die nachstehend angeführten Einrichtungen besonders beim Lauf des Ankers kompensiert bzw. auf unschädliche Werte herabgesetzt werden.
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Die Anordnung ist in der Zeichnung dargestellt : Der Läufer besitzt die bekannte mehrfach geschlossene (in der Figur dreifach geschlossene) Gleichstromwieldung, die in bekannter Weise so in den Nuten eingelegt ist, dass von jedem der geschlossenen Ankerwicklungszüge in jeder Nut gleich viele Stäbe angeordnet sind. Die einzelnen geschlossenen Ankerwicklungszüge sind mit A, B und C und die zugehörigen Kollektorlamellen mit a, b und c bezeichnet. Die Breite der Hauptbürsten Xl, X2 ist in bekannter Weise so gewählt, dass niemals zwei benachbarte Kollektorlamellen desselben Wieklungs- zuges durch die Bürsten überbrückt werden.
Diese Hauptbürsten sind in bekannter Weise so angeordnet, dass von diesen immer die zu den gleichen Wieklungszügen zugehörigen Lamellen jeweils in gleicher
Weise überdeckt werden, so dass bei der Drehung des Ankers die Stromkreise jedes einzelnen Wicklung- zuges gleichzeitig von allen Hauptbürsten geschlossen und mit Ablauf der betreffenden Lamellen von den Hauptbürsten auch gleichzeitig wieder unterbrochen werden. Bei dieser Anordnung werden die einzelnen Wicklungszüge bei der Drehung des Ankers in der nachstehenden Reihenfolge vom
Ankerstrom durchflossen : A und B, A und B und C, B und C, B und C und A, C und A, C und A und B und dann wieder A und B usw.
Im Verlauf einer solchen Periode wird der Ankerstrom in je einer Ankernut für eine Hauptbürste kommutiert. Die Ankerwicklung wird abgetreppt, d. h. es wird in den Stablagen die Reihenfolge der in jeder Nut den einzelnen Wieklungszügen angehörenden Stäbe um mindestens eines verschoben etwa so, wie in der Figur, dass der Reihenfolge A, B, C in der oberen Stablage eine Reihenfolge C, A, B in der unteren Stablage entspricht. Dieses Abtreppen der Ankerwicklung ermöglicht es, die nachstehend unter 1-3 genannten Funkspannungen in günstiger Weise auf alle zu den einzelnen Wieklungszügen gehörigen Lamellen aufzuteilen.
Auf die von den Hauptbürsten Xl, X2 ablaufenden Lamellenkanten wirken folgende Funk- spannungen ein : 1. die bekannte Reaktanzspannung der Kommutierung, 2. der Ohmsche Spannungsabfall der gespeisten Wicklungszüge, 3. die vom pulsierenden Erregerfeld statisch induzierten Spannungen in den durch die aufliegenden Bürsten miteinander leitend verbundenen Wicklungszügen. Letztere
Spannungen ergeben in jenen Bürstenstellungen keine resultierenden Funkspannungen, bei denen die von der gespeisten Lamelle gezählten 1., 2., 3. usw.
Stäbe der gespeisten Wicklungszüge in gleichen Nuten liegen, d. h. dass der erste Stab des ersten gespeisten Wicklungszuges, der erste Stab des zweiten gespeisten Wicklungszuges und gegebenenfalls der erste Stab des dritten gespeisten Wicklungszuges in einer Nut liegen, dass die jeweils zweiten Stäbe der gespeisten Wicklungszüge in einer andern gemeinsamen Nut liegen usw., denn es handelt sich dabei um parallele Wicklungen, zwischen denen keinerlei Zahnfluss liegt. Bei der in der Figur dargestellten Wicklung entspricht dies jenen Bürstenstellungen, die nur die Wicklungszüge A und B speisen.
In den andern Stellungen, wo die Wicklungszüge A und B und C, B und C, B und C und A, C und A, C und A und B gespeist werden, sind von der gespeisten Lamelle an gezählt, die 1., 2., 3. usw. Stäbe der gespeisten Wicklungszüge entweder in der oberen Stablage bzw. unteren Stablage oder in beiden Stablagen in benachbarten Nuten untergebracht, so dass zwischen gleichrangigen Stäben der benachbarten, gespeisten Wicklungszüge jedesmal ein ganzer Ankerzahnfluss des Hauptfeldes liegt, u. zw. entweder nur hinsichtlich einer Spulenseite oder je ein ganzer Ankerzahnfluss hinsichtlich beider Spulenseiten.
Dementsprechend werden bei der gegenständlichen Speisung zwei gleiehrangige, unter dem Erregerfeld liegende und benachbarten, gespeisten Wicklungszügen angehörende Windungen mit solchen Anteilen des Erregerfeldes statisch induziert, dass der Spannungsunterschied zwischen zwei solchen Windungen gleich ist dem Wert der statischen Induktion einer Windung mit einem oder zwei Ankerzahnflüssen des Erregerfeldes.
Für jeden Kurz- schlussstrom der von einer Bürste ausgehend durch einen gespeisten Wicklungszug zur ungleichnamigen Bürste fliesst, über diese in den benachbarten gespeisten Wicklungszug gelangt und durch denselben zurück zur Bürste fliesst, von der ausgegangen wurde, resultiert durch die Summierung der vom Erregerfeld in den aufeinanderfolgenden, benachbarten Windungspaaren statisch induzierten Spannungsunterschiede eine gesamte Kurzschlussspannung, die gleich ist ein oder zwei Windungsspannungen des ganzen Erregerfeldes. Auf die Wicklung nach der Figur angewendet, ergibt sich, dass bei Speisung der Wicklungszüge jl und B und C die Spannung des Wicklungszuges C sich um eine volle Erregerwindungsspannung gegenüber der Spannung der Wicklungszüge A bzw. B unterscheidet.
Bei Speisung von B und C besteht zwischen diesen beiden Wicklungszügen der gleiche Spannungsunterschied. Bei Speisung von B und C und A differiert C zu B um eine Erregerwindungsspannung, desgleichen auch A zu C, während B zu A um zwei Erregerwindungsspannungen differiert. Bei Speisung von C und A und B differieren sowohl A als auch B um eine Erregerwindungsspannung zu C.
Diese Spannungsunterschiede wirken sich in Kurzschlussströmen aus, die die parallelen, gespeisten Wicklungszüge in Reihe durchfliessen und die sich über die Kontaktflächen je zweier ungleichpoliger Bürsten E'i, 2 sehliessen. Als elektrische Widerstände für diese Kurzschlusskreise gelten die Widerstände der in Reihe geschalteten Ankerwicklungszüge, zu denen noch die doppelten Übergangswiderstände der ungleichpoligen Bürsten hinzukommen.
Die Kompensation der unter erstens bis drittens genannten Funkspannungen beim Lauf des Ankers erfolgt durch die zwischen den Hauptpolen angebrachten Hilfspole Wi, Wz. Das Abtreppen der Wicklung wirkt sich hinsichtlich der von den Hilfspolen in den Ankerwicklungszügen beim Lauf
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des Ankers dynamisch induzierten Spannungen in ähnlicher Weise aus, wie dies vorstehend hinsichtlich der vom Erregerfeld statisch in den einzelnen Wicklungszügen induzierten Spannungen für die verschiedenen Fälle der Speisung der einzelnen Ankerwicklungszüge gezeigt wurde : d. h. diejenigen von den Bürsten gespeisten Ankerwieklungszüge, deren 1., 2., 3. usw. Stäbe nicht in gleichen Nuten liegen, erhalten gegenüber jenen gespeisten Ankerwicklungszügen, deren 1., 2., 3. usw.
Stäbe in gleichen Nuten liegen, eine zusätzliche Spannung von ein oder zwei dynamisch vom Hilfsfeld induzierten Windungsspannungen, je nachdem, ob nur die 1., 2., 3. usw. Stäbe der oberen Stablage bzw. nur die 1., 2., 3. usw.
Stäbe der unteren Stablage oder ob die 1., 2., 3. usw. Stäbe beider Stablagen in verschiedenen Nuten liegen, denn es werden in jedem so gekennzeichneten Ankerwicklungszug ein oder zwei Windungen
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deren 1., 2., 3. usw. Stäbe in gleichen Nuten liegen.
Durch eine entsprechende Hauptstromerregung der Hilfspole WI, W2 kann die unter erstens genannte Reaktanzspannung der Kommutierung hinsichtlich jener Ankerwieklungszüge, deren 1., 2., 3. usw. Stäbe nicht in den gleichen Nuten liegen, bei allen Betriebszuständen kompensiert werden. Hinsichtlich jener Ankerwicklungszüge, deren 1., 2., 3. usw. Stäbe in den gleichen Nuten liegen, tritt eine solche Hilfsfeldwirkung nicht ein. Anderseits tritt bei abwechselnder Speisung solcher Ankerwicklungszüge bei gleichbleibendem Speisestrom eine Änderung des Strombelages in den einzelnen
Nuten gleichfalls nicht ein, so dass also auch keine Kommutierung erfolgt.
Für diesen Vorgang kann als Reaktanzspannung lediglich nur eine solche entstehen, die aus der Änderung des Streufeldes zwischen den vorbezeichneten, nebeneinanderliegenden Wicklungszügen hervorgeht. Ein derartiges Streufeld hat in den Wieklungsköpfen und gegebenenfalls in den Nuten bei flach liegenden Stäben nur die Breite des Isolationsauftrages zwischen zwei benachbarten Stäben.
Da während des Wechsels der Speisung der genannten Wicklungszüge die Bürsten alle Wicklung- züge speisen, so kann durch Überkommutierung der kommutierenden Wicklungszüge (deren 1., 2., 3. usw. Stäbe nicht in den gleichen Nuten liegen) bei sonst gleichbleibender Speisestromstärke die Speisung der nichtkommutierenden Wicklungszüge vermindert werden, wobei die jeweils kommutierenden Wicklungs züge stärker gespeist werden. Entsprechend der geringeren Speisung derjenigen Wicklung- züge, deren Lamellen jeweils von den Bürsten ablaufen, ermässigt sich die vorstehend unter zweitens genannte Funkspannung. Desgleichen wird dadurch auch das vorstehend erwähnte geringe Streufeld zwischen den nichtkommutierenden Wicklungszügen ermässigt.
Die Kompensierung der unter zweitens genannten Funkspannung erfolgt somit durch eine zusätzliche Hauptstromerregung des Hilfsfeldes.
Diese Kompensierung ist nur in bestimmten Betriebsbereichen eine vollständige. In den übrigen
Bereichen bleiben noch Restglieder bestehen.
Die unter drittens genannte Funkspannung wird durch eine zum Hauptstrom um 90 phasenverschobene Erregung des Hilfsfeldes in bestimmten Betriebsbereichen vollständig kompensiert. In den übrigen Betriebsbereichen bleiben gleichfalls Restglieder der Funkspannung bestehen.
Besonders grosse transformatorische Lamellenspannungen und dementsprechend grosse Restglieder der Funkspannungen erfordern die genauere Aufteilung der Funkspannung auf die unter beiden Bürstenpolen ablaufenden Lamellenkanten. Dies geschieht durch in Polmitte der Wicklungzüge aufgesetzte Mittelbürsten Mi, M ;
, die eine breitere Auflage haben als die Hauptbürsten Ji, . Der Stromweg von einer Hauptbürste KI, K2 durch einen gespeisten Wicklungszug zur Mittelbürste und über diese zu einem andern der gespeisten Wicklungszüge zurück zur Hauptbürste, von der ausgegangen wurde, ergibt nur die Hälfte jener Funkspannung, die in einem Stromweg entsteht, der sieh, wie erwähnt, über die ungleichpoligen Hauptbürsten KI, K2 schliesst. Zufolge der grösseren Über- deckung der Mittelbürsten werden diese halben Funkspannungen immer an der unter den Hauptbürsten ablaufenden Lamellenkante unterbrochen.
Bei fehlenden Mittelbürsten MI, M2 würde trotz genauester Einhaltung der Bürstenausteilung eine der Hauptbürsten einen grösseren Anteil an der Unterbrechungsleistung übernehmen, der durch Verschleiss dieser Bürstenkante wachsen würde, so dass schliesslich diese Bürste allein die Unterbrechung der Kurzsehlussströme übernehmen müsste.
Bei Ankern, deren Drehsinn betriebsmässig wechselt, werden die Mittelbürsten als Tangentialbürsten ausgebildet, damit die Überdeckung erhalten bleibt. Um ein Funken der Mittelbürsten zu vermeiden, müssen entsprechende Pollüeken in den Hauptpolen PI, P2 in bekannter Weise angeordnet werden.
Bei der Schaltung nach Winter-Eichberg können die Erregerbürsten die Funktion der Mittelbürsten übernehmen, womit auch die Anordnung der Pollücken entfällt. An Stelle einer Mittelbürste können bei besonders grossen transformatorischen Lamellenspannungen mehrere Zwischenbürsten zwischen je zwei Hauptbürsten mit den zugehörigen Pollüeken angeordnet werden. Dabei ist nach vorstehendem die Auflagebreite der Bürsten am Kollektor so abzustufen, dass die zwischen den einzelnen, benachbarten Bürsten auftretenden Teilfunkenspannungen der Reihe nach von den Haupt-und Zwisehenbürsten unterbrochen werden.
Die unter drittens genannten Funkenspannungen bzw. Kurzschlussströme treten beim Ablauf der einzelnen Lamellen, wie bereits erwähnt, mit verschiedener Stärke auf. Diese Kurzschlussströme können in jenen Stellungen des Ankers überhaupt nicht fliessen, wo die von den Hauptbürsten Xi, (Fig. 1) gespeisten Ankerwicklungszüge solcher Art sind, dass deren 1., 2., 3. usw. Stäbe in gleichen
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Ankernuten liegen. Der Einlauf in diese Stellungen würde mit starken Unterbreehungsfunken an der unmittelbar vorher ablaufenden Lamellenkante verbunden sein. Diese Unterbreehungsspannungen der Kurzschlussströme werden durch Dämpferwicklungen Di, Da, die im Stator angeordnet sind, gedämpft.
Diese Dämpferwicklungen sollen das von den Ankerkurzschlussströmen hervorgerufene magnetische Feld festhalten. Entsprechend den Kurzschlusskreisen sind die Dämpferwindungen mit einem Wicklungssehritt aufgebracht, der von Mitte Hilfspol bis Mitte Hauptpol reicht. Bei Anordnung von mehreren Zwisehenbürsten entspricht der Wicklungsschritt der Dämpferwindungen dem jeweiligen Abstand zweier benachbarter Bürsten. Die Dämpferwicklungen sind über Ohmsche Widerstände J, J geschlossen, die beim Lauf des Ankers in dem Masse erhöht werden können, als die Kurzschlussspannungen kompensiert werden.
Die Ausbildung der Hauptbürsten als geteilte Bürsten so, dass zu den Bürsten Xi, K2 noch die Bürsten K1'bzw. K2'zugeordnet sind, ermöglicht bei gleichbleibendem Ankerstrom eine Kürzung der Kollektorlänge. Die Bürsten K1'bzw. K2'sind nicht breiter zu halten als die Bürsten Kl bzw. K2 und sind so anzuordnen, dass der Mittenabstand der Bürste K1'von Kl bzw. K2'von K2 ein ganzes Vielfaches von n-Lamellenteilungen beträgt, wobei n die eingangs erwähnte Anzahl der geschlossenen Ankerwicklungszüge bedeutet.
Die Speisung von K1'und K2'hat in bekannter Weise so zu erfolgen, bzw. sind die Bürstenhalter so isoliert zu befestigen, dass die zwischen X/ und j bzw. zwischen K2' und K2 liegenden Ankerwindungen nicht unmittelbar kurzgeschlossen werden. Diese Teilung der Hauptbürsten unterteilt den Vorgang der Stromwendung in zwei aufeinanderfolgende Phasen, so dass für die Kompensation der unter erstens genannten Reaktanzspannung der Kommutierung eine geringere Hauptstromerregung des Hilfsfeldes benötigt wird als bei nicht geteilten Hauptbürsten.
Die Sättigung des Hilfsfeldes, das, wie erwähnt, noch zwei weitere Komponenten enthält, kann somit durch Anwendung der geteilten Bürsten gemindert werden.
Bei Motoren mit der Schaltung nach Winter-Eichberg kann zwecks Minderung der nicht kompensierten Restglieder der unter drittens genannten Funkspannung eine solche Regulierung der
Wendepolerregung vorgenommen werden, dass beim untersynchronen Lauf zwecks Verstärkung des zum Hauptstrom phasenverschobenen Hilfsfeldes in bekannter Weise ein Ohmseher Widerstand bzw. beim übersynchronen Lauf zwecks Vermeidung einer wesentlichen Überkompensienmg der unter zweitens und drittens genannten Funkspannungen eine Drosselspule parallel zur Wendepolwicklung geschaltet wird. Für die automatische Durchführung dieser Schaltungen kommt ein Differenzrelais mit zwei Spulensystemen in Betracht, wobei ein Spulensystem vom Hauptstrom und das andere
Spulensystem von der mit dem Übersynchronismus steigenden Erregerspannung gespeist wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einphasen-oder Mehrphasenkollektormaschine mit mehrfach geschlossenen Ankerwicklungszügen und solcher Breite der Bürsten, dass durch dieselben niemals zwei benachbarte, dem gleichen Wicklungszug angehörende Lamellen berührt werden, wobei die Wicklungen gegeneinander abgetreppt sind und so in den Ankernuten verlegt sind, dass in jeder Nut gleich viel Stäbe jedes Wicklungszuges liegen, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer über die normale Hauptstromerregung der Wendepole gelagerten zusätzlichen Hauptstromerregung der Wendepole beim Lauf des Motors solche in Phase mit dem Hauptstrom liegende Spannungen in den parallelen Wicklungszügen dynamisch induziert werden,
dass dadurch die zufolge des Ohmschen Spannungsabfalles im Anker an den ablaufenden Lamellen entstehenden Funkspannungen durch Mehrspeisung des jeweils zu den auflaufenden Lamellen gehörigen Wicklungszuges kompensiert oder zumindest auf ein erträgliches Mass herabgesetzt werden, wobei durch das Abtreppen der Wicklungen eine tunlichst Gleichmässigkeit der Unterbrechungspannungen für die abwechselnd gespeisten Wicklungszüge erreicht wird.