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Die Erfindung betrifft eine Gleichstrommaschine der Metadyne-Bauart, deren Anordnung der Ständerwicklungen wesentlich vereinfacht und deren Kupferbedarf erheblich herabgesetzt ist.
Die Gleiehstrommasehine der Metadyne-Bauart ist eine umlaufende elektrische Maschine, die sowohl als Umformer, als auch als Generator oder Motor wirken kann. Im allgemeinen wird die Metadyne als Umformer einen Gleichstrom konstanter Spannung und veränderlicher Grösse in einen Gleichstrom von annähernd konstanter Stärke und veränderlicher Spannung umformen. Als Generator wird die Metadyne mechanische Energie in elektrische Energie in Form eines Gleichstromes von annähernd konstanter Grösse und als Motor einen Gleichstrom von annähernd konstanter Grösse in mechanische Leistung umwandeln.
Die Metadyne besitzt in ihrer einfachsten Form einen Läufer ähnlich wie ein Gleichstromanker mit Wicklungen und Stromwender. Der Stromwender einer zweipoligen Maschine ist gewöhnlich mit zwei primären und zwei sekundären Bürsten versehen. Die primären Bürsten liegen an einer Spannungsdifferenz von annähernd konstanter Grösse, während die sekundären Bürsten in einen Stromkreis eingeschaltet werden, der von einem Gleichstrom konstanter Stärke durchflossen wird.
Der Läufer der Metadyne rotiert mit konstanter Geschwindigkeit. Der in den Läuferwicklungen fliessende primäre Strom erzeugt in Richtung der primären Kommutierungsachse einen Fluss (D", der zwischen den sekundären Bürsten eine elektromotorische Kraft induziert. Der sekundäre Strom erzeugt in Richtung der sekundären Kommutierungsachse einen Fluss , der zwischen den primären Bürsten eine elektromotorische Kraft induziert. Für den magnetischen Rückschluss der durch die Läuferwicklungen erzeugten Flüsse ist ein Ständer mit geringem magnetischen Widerstand vorgesehen.
Bezeichnet man, entsprechend den später im einzelnen besprochenen zeichnerischen Darstellungen, die primären Bürsten mit a und c und die sekundären Bürsten mit bund d, so erzeugt der primäre
Strom Ja, der die Bürsten a und c durchfliesst, den primären Fluss e, in der Richtung c-a, und dieser induziert eine elektromotorische Kraft zwischen den sekundären Bürsten b und d ; der durch den sekundären Strom Jb erzeugte Fluss (D, in Richtung b-d induziert eine elektromotorische Kraft zwischen den primären Bürsten a und c, die die konstante Spannung des primären Netzes ausgleicht.
Da diese
Spannung konstant ist, so muss der Fluss (D, (bei konstanter Geschwindigkeit) konstant bleiben und infolgedessen auch der den sekundären Fluss erzeugende sekundäre Strom I b. Dagegen ist der primäre Strom proportional der zwischen den sekundären Bürsten induzierten sekundären Spannung und infolgedessen ist der primäre Strom proportional der sekundären Leistung. Wenn die Metadyne keine Ständerwicklung hat, ist das resultierende Drehmoment 0, und ein beliebiger kleiner Motor, der die mechanischen Verluste überwinden kann, wird die Metadyne mit konstanter Geschwindigkeit antreiben.
Um den Wert des sekundären Stromes zu regulieren, wendet man eine Ständerwicklung an, welche sekundäre Variatorwicklung genannt ist und eine elektromotorische Kraft zwischen den Primärbürsten induziert ; diese Wicklung hat im allgemeinen ihre resultierende magnetische Achse in der Richtung der sekundären Stromwendungsachse ; sie erzeugt einen Fluss, der dieselbe Richtung hat, wie der Fluss 4)"und da der resultierende Fluss in der sekundären Stromwendungsachse konstant bleiben muss, so wird der sekundäre Strom verringert oder vergrössert, je nachdem die Ampèrewindungeu der Variatorwicklung dieselbe bzw. entgegengesetzte Richtung als die sekundären Ampèrewindungen der Anker haben.
Wie schon gesagt, ist die Metadyne eine drehmomentlose Maschine, wenn sie keine Ständerwicklung hat ; durch die Variatorwicklung wird aber ein grosses Drehmoment erzeugt, und wenn man
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die Metadyne als Umformer benutzen will, so muss man sie noch drehmomentfrei machen ; dies wird durch eine Ständerwicklung erzielt, welche Regulatorwieklung genannt ist und deren magnetische Achse in der Primärwendungsachse liegt ; der Strom der Regulatorwieklung wird durch eine besondere Hilfsmaschine, Reguliermasehine genannt, geregelt, welche sehr empfindlich gegen Geschwindigkeits- änderungen ist und die Regulatorwieklung mit einem Strom speist, dessen Richtung und Grösse ein eigenes Drehmoment an der Metadyne erzeugt, das das resultierende Drehmoment auf Null herabsetzt.
Wenn hingegen die Metadyne als Generator benutzt wird, so ist es vorteilhaft, die Maschine neben der sekundären Variatorwicklung noch mit einer andern Wicklung, primäre Variatorwicklung genannt, auszurüsten. Die primäre Variatorwieldung hat im allgemeinen ihre magnetische Achse in der Richtung der primären Stromwendungsachse und beeinflusst durch ihre Ampèrewindungen den Wert des primären Stromes, so dass der Primärstrom im Vergleich zur Leistung sehr gering wird ; denn die Leistung wird fast gänzlich durch die mechanische Kupplung geliefert. Es ist dann sogar möglich, die konstante Primärspannung bis auf 0 herabzusetzen, in welchem Falle die notwendige Konstanz der Primärspannung durch den Kurzschluss der Primärbürsten gewährleistet ist.
Um stabil zu sain, braucht die Metadyne, sei sie ein Umformer oder ein Generator, in jedem Fall weitere Ständerwicklungen, die durch den Strom der Bürsten gespeist werden und elektromotorische Kräfte induzieren, die dem Strome entgegengerichtet sind. Diese Wicklungen werden Stabilisierwieklungen genannt.
Die zwischen den primären Bürsten vorhandene konstante Spannungsdifferenz kann einen beliebigen Wert annehmen. Ist dieser Wert von Null verschieden, so sind die primären Bürsten der Metadyne an ein Gleiehstromnetz von konstanter Spannung geschaltet. Ist die Spannungsdifferenz gleich Null, so sind die primären Bürsten direkt oder über eine Wicklung von vernachlässigbarem Widerstand kurzgeschlossen. Im ersten Falle liegt die Metadyne an zwei Stromquellen und wird im allgemeinen die von dem Netz mit konstanter Spannung abgenommene Leistung teilweise in elektrische Leistung in Form eines Gleichstromes konstanter Stärke und teilweise in mechanische (positive oder negative) Leistung umformen.
Durch die oben beschriebene Anordnung der Ständerwicklungen kann erreicht werden, dass die Metadyne praktisch als ein reiner Umformer oder als ein Motor oder Generator (mit positivem bzw. negativem Drehmoment) wirkt.
Obwohl die Metadyne auch ohne Ständerwicklungen ihre grundsätzliche Betriebscharakteristik aufweisen kann, sind für einen vollständig zufriedenstellenden Betrieb mehrere Ständerwicklur. gen nötig ; Sekundär variatorwicklung, Regulatorwieklung, Primär variatorwicklung, Stabilisierungswiek- lungen und gegebenenfalls noch andere Ständerwicklungen.
Alle diese Ständerwieklungen haben nicht die gleiche magnetische Achse, wie es in einer gewöhnlichen Gleichstrommasehine der Fall ist, sondern ihre Achsen sind im allgemeinen um 900 zersetzt.
Deshalb erfordern die Ständerwieklungen zahlreiche Spulen und mehrere Verbindungskabel.
Um die Anordnung der Ständerwicklungen der Metadynemaschine wesentlich zu vereinfachen und den erforderlichen Kupferbedarf erheblich herabzusetzen, wird die Metadyne erfindungsgemäss mit zwei Ständerwicklungen versehen, deren magnetische Achsen im allgmeinen um annähernd 900 elektrisch gegeneinander verschoben sind, und die von je einer Hilfsmaschine gespeist werden, welche als Konstantstrommaschinen, z. B. als Metadynen oder Krämermaschinen, ausgebildet sind.
Der Strom dieser Hilfsmetadynen (es soll der Einfachheit wegen nur von Hilfsmetadynen gesprochen werden) wird durch ihre Sekundärvariatorwicklungen so geregelt, dass die resultierenden Ampèrewindungen an jeder der zwei magnetischen Achsen der Hauptmetadyne dieselben bleiben wie bei den vorbekannten Metadynemaschinen. Um dies zu erzielen, sind die Hilfsmetadynen mit so vielen Sekundärwicklungen versehen, wie die bekannten Anordnungen verschiedene Ständerwicklungen hatte und ihre Ampèrewindungen sind so bemessen, dass der von der Hilfsmetadyne erzeugte Strom in den Ständerspulen der Hauptmetadyne, so viel Ampèrewindungen erzeugt, wie resultierende Ampèrewindungen in den vorbekannten Anordnungen waren.
Dies vereinfacht infolge des Fortfalles der Spulen und der Verbindungskabel nicht nur die Anordnung, sondern verringert die Kupferverluste der Ständerwieklungen, weil die Ampèrewindungen der vorbekannten Anordnungen nicht dieselbe Richtung in allen Spulen hatten und ihre numerische Summe im allgemeinen viel grösser war als die resultierenden Ampèrewindungen. Erfindungsgemäss sind zwei Hilfsmetadynen hinzugefügt, ihre Verluste aber sind viel niedriger als die zurückgewonnenen Verluste in den Ständerwieklungen der Hauptmetadyne.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in drei Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Fig. 1 zeigt eine Metadyne, deren primäre Bürsten an einem Gleichstromnetz von konstanter Spannung liegen.
Fig. 2 zeigt eine als Generator wirkende Metadyne mit über Ständerwicklungen kurzgeschlossenen primären Bürsten. Fig. 3 und 4 stellen Verbesserungen der Hilfsmasehine dar.
Gemäss Fig. 1 weist die Hauptmetadynemasehine j ? einen Rotor auf, welcher wie der Läufer einer üblichen Dynamo mit Wicklungen und einem Kommutator versehen ist. Um den Kommutator herum liegen vier Bürsten a, b, e, d. Die Bürsten a, c stellen die Primärbürsten dar und sind mit einer Gleiehstromquelle 2 konstanter Spannung verbunden.
Die Bürsten b, d stellen die Sekundärbürsten dar und speisen das Gleichstromnetz 3. Der Stator der Hauptmaschine 1 besitzt zwei Wicklungen 6,7,
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welche durch zwei Hilfsgeneratoren 4 und 5 erregt werden ; letztere bestehen im dargestellten Beispiel aus Metadynemaschinen, deren Primärbürsten a, c an dem Gleichstromnetz 2 liegen, während ihre sekundären Bürsten b, d die Ständerwicklungen 6 und 7 speisen. Die magnetischen Achsen der Ständerwicklungen 6 und 7 sind um 900 elektrisch gegeneinander verschoben. Die Achse der Wicklung 6 verläuft in Richtung der primären Kommutierungsaehse und die Achse der Wicklung 7 in Richtung der sekundären Kommutierungsachse. Die Läufer der Hauptmaschine 1 und der Hilfsmaschine 4, 5 sitzen auf einer gemeinsamen Welle.
Durch die Regelung des sekundären Stromes der Hilfsmaschinen 4 und 5 kann der Ampèrewindungsdruek der Ständerwicklungen 6 und 7 in der primären bzw. in der sekundären Kommutierurigs- achse geregelt werden. Der sekundäre Strom der Hilfsmaschine 5 wird durch die Ständerwicklungen 8, 9 und 10 geregelt. Die Ständerwicklung 8 wird fremderregt, während die Wicklung 9 von dem primären Strom der Hauptmaschine durchflossen wird. Die Wicklung 10 liegt im Nebenschluss zu den sekundären Bürsten der Hauptmaschine. Der sekundäre Strom der Hilfsmasehine 4 wird durch die Ständerwicklungen 11, 12 und 13 geregelt. Die Wicklung 11 wird von einer fremden Stromquelle erregt, während die Wicklung 12 von dem sekundären Strom der Hauptmaschine durchflossen wird.
Die Wicklung-M liegt im Nebenschluss zu den sekundären Bürsten der Hauptmasehine.
Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Hauptmaschine sind von der Richtung
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Ampèrewindungsdrucke mittelbar auf die Hauptmaschine wirken.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist von der Anordnung der Ständerwicklung der Hilfsmasehine unabhängig. Wesentlich ist für die Erfindung, dass jede der Ständerwicklungen der Hauptmasehine von je einer Hilfsmaschine gespeist wird. Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Hilfsmaschinen werden im folgenden zwei verschiedene Anordnungen beschrieben.
In einer Anordnung wirkt die Hauptmasehine als reiner Umformer. Die Wicklung 11 liegt dann in dem Stromkreis einer nicht gezeichneten Regelmasehine, die als ungesättigte Nebenschlussmaschine ausgebildet ist und über die Wicklungen 11 an das Gleichstromnetz 2 von konstanter Spannung geschaltet ist.
Die Regelmaschine ist eine gewöhnliche Nebenschlussmaschine, die von der Hauptmetadyne betrieben wird und deren Ankerstrom die eine oder andere Richtung hat, je nachdem die Geschwindig- keit der Hauptmetadyne höher oder niedriger als die normale Geschwindigkeit ist ; dieser Strom durchfliesst die Regulatorwicklung und verändert oder annulliert das resultierende Drehmoment, so dass die Geschwindigkeit konstant gehalten wird.
Die Wicklung 12 ist derart angeordnet, dass ihr Ampèrewindungsdruck zwischen den sekundären Bürsten der Hauptmaschine eine elektromotorische Kraft entstehen lässt, die dem sekundären Strom der Hauptmaschine entgegengesetzt gerichtet ist. Die Wicklung 9 bewirkt, dass zwischen den primären Bürsten der Hauptmaschine eine elektromotorische Kraft induziert wird, die dem primären Strom entgegengesetzt gerichtet ist. Der die Wicklung 8 durchfliessende Strom bestimmt die Grösse des sekundären Stromes der Hauptmaschine. Die Grösse des Ampèrewindungsdruckes der Wicklungen 10 und 13 wird die Grösse des die Regelmaschine durchfliessenden Stromes bzw. den sekundären Strom der Hauptmaschine in Abhängigkeit von der sekundären Spannung der Hauptmaschine beeinflussen.
Alle diese Wicklungen 8, 9, 10, 11, 12, 13 liegen nicht an der Hauptmetadyne, sie wirken unmittelbar nur auf die Hilfsmetadynen, doch wird die Wirkung durch den sekundären Strom der Hilfsmetadyne multipliziert und auf die Ständerwicklungen der Hauptmetadyne übertragen.
In einer zweiten Anordnung nach Fig. 1 wirkt die Hauptmaschine als ein reiner Generator. Die Wicklung 11 wird in diesem Falle nicht vorgesehen, während die Anordnung der Wicklungen 12, 9, 8 und 10 die gleiche bleibt. Die Wicklung 13 wird derart angeordnet, dass ihr Ampèrewindungsdruck zwischen den sekundären Bürsten der Hauptmaschine eine elektromotorische Kraft entstehen lässt, welche dieselbe Richtung hat, wie die von dem primären Läufer-Ampèrewindungsdruck der Hauptmaschine induzierte elektromotorische Kraft.
Durch eine genaue Auslegung der Wicklung 18 wird die von dem Gleichstromnetz konstanter Spannung gelieferte primäre Leistung auf einen kleinen vernachlässigbaren Wert herabgesetzt, so dass die Hauptmaschine praktisch als ein reiner Generator wirkt ; denn die Ampèrewindungen der Wicklung 13 erzeugen einen sekundären Strom in der Hilfsmetadyne 4, welcher Ampèrewindungen an der Hauptmetadyne erzeugt, die die Richtung der Primärstromwendungsachse haben. Wenn diese Ampèrewindungen dieselbe Richtung und ungefähr denselben Wert haben, wie die Ankerampèrewindungen des primären Stromes, die notwendig wären, wenn die Metadyne als reiner Umformer arbeiten würde, dann wird der Primärstrom auf einen sehr kleinen Wert gebracht, und die Primärleistung, die das Netz liefern muss, wird praktisch sehr klein.
Die Hilfsmaschine 4 bzw. 5 kann ausserdem mit einer von dem primären bzw. dem sekundären Strom der Hauptmasehine durchflossenen zusätzlichen Wicklung versehen werden. Ebenso können auch die Wicklungen 10 und 13 an andere Bürsten der Hauptmasehine geschaltet werden, um in der Charakteristik der Metadyne gegebenenfalls Anderungen zu erhalten. Die Erfindung ist selbstverständlich durch diese Ausführungsbeispiele nicht begrenzt.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist eine Metadyne vorgesehen, deren primäre Bürsten im wesentlichen kurzgeschlossen sind und deren Spannung zwischen den primären Bürsten angenähert gleich Null ist. Die primären Bürsten der Hauptmaschine 1 und der Hilfsmaschinen 14 und 15 sind entweder direkt oder über eine Wicklung von geringem Widerstand kurzgeschlossen. Der sekundäre Strom der Hilfsmaschine 15 speist die Ständerwicklung 16 der Hauptmasehine, während der sekundäre Strom der Hilfsmasehine 14 die Ständerwicklung 17 der Hauptmaschine speist.
Die magnetischen Achsen der Ständerwicklungen 16 und 17 sind zwar ebenfalls um 900 elektrisch voneinander verschoben, jedoch unterscheidet sich diese Anordnung von der Anordnung nach Fig. 1 dadurch, dass bei letzterer auf jedem Teilpol zwei Wicklungen vorgesehen sind, während bei der Anordnung nach der Fig. 2 jeder Teilpol mit nur einer Wicklung versehen ist.
In Fig. 2 sind auf den Hilfsmaschinen Ständerwicklungen vorgesehen. Eine dieser Wicklungen wird von dem primären Strom, eine zweite von dem sekundären Strom der Hauptmasehine durchflossen, eine dritte fremderregt und eine vierte an zwei Bürsten der Hauptmasehine angeschlossen. Die erfindungsgemässe Einrichtung ist von der Anordnung der Ständerwicklung der Hilfsmasehine unabhängig. Wesentlich ist für die Erfindung, dass jede der Ständerwicklungen der Hauptmaschine von je einer Hilfsmaschine gespeist wird. In Fig. 2 wird eine Anordnung mit einer als Generator wirkenden Hauptmaschine gezeigt.
Die Wicklungen 12 und 18 sind derart angeordnet, dass ihr Ampèrewindungsdruck zwischen den sekundären Bürsten der Hauptmaschine eine elektromotorische Kraft entstehen lässt, die dem sekundären Strom entgegengesetzt gerichtet ist. Die Wicklungen 19 und 22 bewirken, dass zwischen den primären Bürsten der Hauptmaschine eine elektromotorische Kraft induziert wird, die dem primären
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Die fremderregten Wicklungen 8 und 11 werden von einem Strom durehflossen, der den Wert des sekundären Stromes der Hauptmasehine bestimmt. Die Wicklungen 10 und 1. 3 sind derart angeordnet, dass ihr Ampèrewindungsdruck zwischen den sekundären Bürsten der Hauptmaschine eine elektromotorische Kraft entstehen lässt, welche dieselbe Richtung hat, wie die von dem primären Läufer- Ampèrewindungsdruck der Hauptmaschine induzierte elektromotorische Kraft. Durch geeignete Auslegung der Wicklungen 10 und 13 wird der primäre Strom auf einen geringen Wert herabgesetzt und dadurch die Ausnutzungsfähigkeit der Hauptmaschine erhöht.
Eine weitere Verbesserung der Anlage kann dadurch erzielt werden, dass die Hilfsmaschinen mit zwei zusätzlichen Ständerwicklungen versehen werden. Nach Fig. 3 und 4 wird eine zusätzliche Ständerwicklung 20 im Nebenschluss zu den sekundären Bürsten der Hilfsmasehine angeordnet, u. zw. derart, dass sie zwischen den sekundären Bürsten der Hilfsmaschine eine elektromotorische Kraft induziert, welche dieselbe Richtung hat, wie die von dem primären Läufer-Amperewindungsdruck induzierte elektromotorische Kraft. Der primäre Strom wird dadurch verringert und die Ausnutzungsfähigkeit der Hilfsmaschine verbessert. Eine weitere zusätzliche Ständerwieklung.
M wird von dem primären Strom der Hilfsmasehine durehflossen und ruft zwischen den primären Bürsten der Hilfsmaschine eine elektromotorische Kraft hervor, die dem primären Strom entgegengesetzt gerichtet ist.
Die primären Bürsten der Hilfsmaschine nach Fig. 3 sind an das Gleichstromnetz 2 angeschlossen.
Die primären Bürsten der Hilfsmaschine nach Fig. 4 sind über die Ständerwicklung 21 kurzgeschlossen.
In den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 werden die Hauptmaschine und die Hilfsmaschinen von derselben Welle angetrieben. Die Hilfsmaschinen können aber auch getrennt angetrieben werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gleichstrommaschine der Metadyne-Bauart, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ständerwicklungen vorgesehen sind, deren magnetische Achsen um ungefähr 900 elektrisch gegeneinander verschoben sind, und dass zur Vereinfachung der Ständerwieklungsanordnung und zur Herabsetzung des Kupferbedarfes der Erregerstrom jeder Ständerwicklung getrennt von je einer Hilfsmasehine, vorzugsweise einem Erzeuger für konstanten Strom, z. B. von einer Metadyne-oder Krämermaschine, geliefert und geregelt wird.