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Die Erfindung bezieht sich auf ein-oder mehrphasige Wechselstromkommutatormsschinen und insbesondere Bahnmotoren (vorzugsweise Einphasenbahnmotoren) für Industriefrequenz (in Deutsch- land 50 Hz, in U. S. A. 60 Hz) und ist vornehmlich d ; rauf gerichtet, mit der Transformatorspannung verknüpfte Störungen oder Nachteile (Bürstenfeuer usw. ) zu vermeiden. Dieses ist in besonderem Masse für solche Maschinen, bei denen im Anzug das Feld stärker als im Lauf ist, von
Wichtigkeit und hat daher besondere Bedeutung bei Bahnmotoren, von denen im allgemeinen ein hohes Anzugsmoment verlangt wird.
Insonderheit verfolgt die Erfindung d8s Ziel, zu vermeiden, dass zwar einerseits die Transformatorspannung erfolgreich bekämpft und damit eine Steigerung des Flusses bzw. der Frequenz ermöglicht wird, anderseits aber durch die hiezu angewendeten Mittel eine schädliche Beeinflussung der Stromwendung bzw. Stromwendespannung (die auch bei Gleichstrommaschinen vorhanden ist) eintritt.
Gemäss der Erfindung wird eine Steigerung der Transformatorspannung unter den Bürsten dadurch erreicht und gleichzeitig eine schädliche Beeinflussung der Stromwendung dadurch vermieden, dass bei einer ì'.'echselstromkommutatorm8schine die folgenden Massnahmen getroffen werden :
1. Wird die Ankerwicklung als Schleifenwicklung ausgebildet und zwischen den Lamellen, an die die Schleifcnwicklung angeschlossen ist (Hauptl molle), werden Hilfslamellen, vorzugsweise Blindlamellen angeordnet, die zweckmässig aus Kupfer bestehen und die gleiche Breite wie die Hauptlamellen besitzen und : uf dem Kommutator in gleicher Anzahl wie die Hauptlamellen vorhanden sind.
2. Wird jeder der Spannungsanschlüsse der Maschine zu zwei Bürsten geführt, die in ein und derselben Kommutierungszone angeordnet sind.
3. Werden diese beiden Bürsten durch ruhend angeordneten, veränderbaren Widerstand verbunden und diesem Widerstand wird im Anlauf der Maschine (bzw. im Anzug bzw. Stillstand) ein wesentlich grösserer Wert als im Lauf (während welchem er gegebenenfalls den Wert Null hat) gegeben.
4. Wird die Anordnung so getroffen, dass der Transformatorspannung im Lauf ein drehzahlabhängiges Mittel entgegenwirkt, indem beispielsweise phasenversehobene Wendefelder vorgesehen werden oder die Maschine so eingerichtet wird, d8ss der von einem durch eine Bürste kurzgesehlossene Stromweg umschlungene Fluss abgedrängt wird t. uf einen von keinem kurzgeschlossenen Stromweg umschlungenen Hauptflussweg.
Es ist an sich bekannt, bei Wechselstromkommutatormaschinen Widerstände zwischen Bürsten zur Erleichterung der Kommutierung vorzusehen. Auch sind Wendepole an sich bekannt. Demgegen- über handelt es sich bei der Erfindung um den völlig neuartigen Gedanken, die Transformrtorspannung bei Wechselstromkollektormaschinen im Anlauf in grundsätzlich anderer Weise zu bekämpfen als im Lauf der Maschine : im Anlauf werden Kommutierungswiderstände benutzt, im Lauf dagegen Drehzahl abhängige Mittel, wie z. B. Wendefelder bzw. eine Flussabdrängung. Der Widerstand im Bürsten- kurzsehlusskreis bzw. in jedem derselben kann dann auf einen gegenüber der aus Transformatorspannung und Stromwendespannung resultierenden Lamellenspannung bei der betreffenden Drehzahl günstigen Wert geregelt werden.
Der Widerstand ist im Lauf klein bzw. gleich Null und wird im Anlauf bzw.
Anzug bzw. Stillstand auf einen grösseren Wert, u. zw. vorzugsweise auf einen Wert von einer höheren Grössenordnung als im Lauf gebracht. Der Widerstand ist im Anlauf gegen die Transformatorspannung wirksam. Er kann dort sogar verhältnismässig gross gemacht werden, also sogar grösser als dies bei den bisherigen Widerstandsverbindern der Fall ist, da die Verlustwärme nur vorübergehend im Anlauf auftritt. Im Lauf hingegen wäre dieser verhältnismässig grosse Widerstand für die Stromwendung
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schädlich. Er wird deshalb im Lauf auf einen für die Stromwendung günstigen Wert gebracht, so dass also die Stromwendung nicht gestört wird. Die Transformatorspannung kann im Lauf im wesentlichen durch ein bei verschiedenen Drehzahlen verschieden wirkendes Mittel, z. B. Wendepole, bekämpft werden.
Hiebei kann man noch den Zusatzwiderstand so weit zu Hilfe nehmen, als es mit RÜcksicht auf die Stromwendung erträglich ist.
Der ruhend angeordnete Uberbrückungswiderstand kann ausserhalb des Ankers oder sogar ausserhalb des Gehäuses der Maschine bzw. getrennt von dieser angeordnet werden.
Was die Ausbildung des Kommutators der Maschine anbetrifft, so sind dort die an die Wicklungen angeschlossenen benachbarten Hauptlamellen jeweils durch eine nicht an die Ankerwicklung ange- schlossen Blindlamelle getrennt. Die Bürsten wirken mit dem Kommutator so zusammen, dass sie nie die Spannung zwischen zwei Hauptlamellen direkt über die Lauffläche einer einzigen Bürste kurz- schliessen. Zu diesem Zweck hat die Bürste eine solche Breite, dass sie die Spannung zwischen zwei benachbarten Hauptlamellen nicht direkt überbrückt. Die Breite der Bürste wird demnach erfindungsgemäss höchstens gleich der Summe aus der Breite einer Blindlamelle und zweier Isolationsstege gemacht.
Die Bürsten überbrücken jetzt nicht mehr eine zwischen zwei Nachbarlamellen auftretende
Lamellenspannung, wie dies bei den gebräuchlichen Maschinen der Fall ist ; vielmehr tritt die Lamellen- spannung bzw. die Spannung eines Wicklungselementes (Stabes) zwischen zwei Bürsten in Erscheinung, die je eine Hauptlamelle berühren. Die Lamellenspannungen treten jetzt also jeweils zwischen zwei Bürsten auf. Dies ist bei den gebräuchlichen Maschinen nicht der Fall. Beim Erfindungsgegenstand besteht die Möglichkeit, die Lamellenspannungen durch Mittel zu fassen, die nicht mehr im Inneren der Maschine angeordnet sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, die eine ruhende Anordnung des Überbrückungswiderstandes erlaubt, besteht darin, dass man den Anker mit zwei getrennten
Kommutatoren versieht. Die beiden Kommutatoren können auf der gleichen Seite der Ankerwicklung angeordnet sein, werden erfindungsgemäss aber vorzugsweise auf verschiedenen Seiten der Ankerwicklung angeordnet. Diese Anordnung ist schon deswegen vorteilhaft, weil dadurch eine Verringerung der Windungszahl der einzelnen Wieklungselemente möglieh ist, nämlich im Grenzfall auf halbe Windungen je kommutierendem Wicklungselement. Die Kommutatoren werden erfindungsgemäss mit Hilfslamellen, vorzugsweise Blindlamellen, ausgerüstet. Zweckmässig wählt man als Material für die Blindlamellen Kupfer. Beide Kommutatoren erhalten Bürsten.
Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung erhalten korrespondierende, d. h. gleichnamige Bürsten verschiedener Kommutatoren elektrisch relativ gleiche Lage. Die Bürsten, die Kommutatoren und die Wicklung wirken demnach nach der Erfindung derart zusammen, dass in einem Zeitpunkt eine Bürste eines Kommutators gerade auf einer Hilfslamelle steht, wenn eine korrespondierende Bürste gleicher Lrge des andern Kommutators auf einer Hauptlamelle steht, und dass zu einem andern Zeitpunkt die erste Bürste auf einer Hauptlamelle steht, wenn die letztere Bürste auf einer Hilfslamelle steht, wobei die beiden Stellungen immer abwechselnd aufeinanderfolgen.
Vorzugsweise wird nach der Erfindung die Anordnung so getroffen, dass gleichzeitig alle Bürsten eines Kommutators auf Hauptlamellen bzw. auf Blindlamellen stehen, so dass also folgende beide Stellungen im Lauf immer einander abwechseln : Alle Bürsten des einen Kommutators stehen auf Hauptlamellen und gleichzeitig alle Bürsten des andern Kommutators auf Blindlamellen bzw. alle Bürsten des ersteren Kommutators stehen auf Blindlamellen und gleichzeitig alle Bürsten des andern Kommutators auf Hauptlamellen. Zweckmässig werden alle Lamellen in gleicher Breite ausgeführt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erhält jeder Kommutator ebensoviel Haupt-wie Blindlamellen. Die Blindlamellen werden jeweils zwischen zwei Hauptlamellen angeordnet.
Die Bürsten erhalten eine solche Breite, dass gleichzeitig nie mehr als zwei Lamellen berührt werden können, d. h. ihre Breite soll höchstens gleich der Summe aus der Breite einer Blindlamelle und der Breite zweier Isolationsstege sein.
Besonderes Augenmerk ist auf die Wahl der Lamellenzahl zu richten. Ausserdem ist die Wahl der Bürstenabstände von grosser Wichtigkeit.
Gleichnamige Bürsten beider Kommutatoren werden miteinander verbunden, u. zw. über Kommutierungswiderstände.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes besteht darin, dass man für jeden Kommutator (je doppelte Polteilung) die Zahl der Hauptlamellen gleich der Zahl der Blindlamellen gleich einer geraden Zahl wählt. In diesem Fall werden zweckmässig die Abstände benachbarter Bürsten eines Kommutators einander gleichgemacht und ausserdem die Stellungen gleichnamiger zugehöriger Bürsten verschiedener Kommutatoren elektrisch relativ gleichgemacht. Bei dieser Anordnung ist dann in der Regel die Summe der Ströme der Ankerstäbe innerhalb der Ständerbohrung bzw. auch innerhalb der Läuferbohrung bei allen Stellungen der Kommutatoren wenigstens angenähert gleich Null. Dieser Umstand ist mit Rücksicht auf die Stromwendung sehr günstig.
Bei einem derartigen Anker kann bei geeigneter Wahl der Bürstenabstände ein ganz neuartiger Effekt erreicht werden. Es ist auf diese Weise möglich, Flussabdrängung, u. zw. vorzugsweise im Ständereisen zu erzielen. Um die Flussabdrängung zu erreichen, braucht man nur benachbarte Bürsten so einzustellen, dass sieh ihre Abstände voneinander abwechselnd jeweils um ein geradzahliges Viel
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faches einer Lamellenteilung, vorzugsweise um zwei Lamellenteilungen, voneinander unterscheiden, so dass also die Bürstenteilung einer einphasigen Maschine gleich der Polteilung bezogen auf den Kommutatorumfang, vermehrt bzw. vermindert um ein ungeradzahliges Vielfaches einer Lamellenteilung ist. Hiebei haben wiederum zugehörige gleichnamige Bürsten verschiedener Kommutatoren elektrisch gleiche Stellung.
Das Prinzip der Flussabdrängung kann erfindungsgemäss auch bei der Wahl der halben Lamellenzahl jedes Kommutators (je doppelte Polteilung) gleich einer ungeraden Zahl angewendet werden, indem die Abstände benachbarter ungleichnamiger Bürsten untereinander gleich gewählt werden. Wenn man jedoch die Zahl der Hauptlamellen gleich der Zahl der Blindlamellen gleich einer ungeraden Zahl wählt, aber die Bürstenteilung gleich der Polteilung, bezogen auf den Kommutatorumfang, vermehrt bzw. vermindert um ein ungeradzahliges Vielfaches einer Lamellenteilung, macht, d. h.
so, dass die Abstände benachbarter ungleichnamiger Bürsten sich voneinander abwechselnd um ein geradzahliges Vielfaches einer Lamellenteilung unterscheiden, so erhält man eine Anordnung, die zwar keine Flussabdrängung mehr ermöglicht, bei der aber die Summe der Ströme in den Ankerstäben innerhalb der Ständerbohrung bzw. auch innerhalb der Läuferbohrung wenigstens angenähert unabhängig von den Stellungen der Kommutatoren ist, so dass hier die Stromwendung durch eine Unsymmetrie der Ströme innerhalb der Ständerbohrung bzw. auch innerhalb der Läuferbohrung nicht gestört wird.
Erfindungsgemäss besteht die Möglichkeit, bei gleichen Ankern von einem Betrieb mit Flussabdrängung in einem Betrieb ohne Flussabdrängung, vorzugsweise in einen solchen Betrieb, bei dem die Summe der Ströme in den Ankerstäben innerhalb der Ständerbohrung bzw. auch innerhalb der
Läuferbohrung wenigstens angenähert unabhängig von den Stellungen der Kommutatoren ist, über- zugehen bzw. umgekehrt. Dieser Übergang von einem solchen Betrieb in einen andern kann erfindungs- gemäss dadurch erreicht werden, dass die Stellung benachbarter Bürsten gegeneinander geändert wird.
Die als Schleifenwieklung ausgebildete Ankerwicklung kann mit einer Windung je Wieklungs- element oder mit grösserer Windungszahl ausgeführt werden. Hiebei bietet die Wicklung mit möglichst kleiner Windungszahl, besonders bei Maschinen grösserer Leistung, besondere Vorteile, da bei ihr der
Fluss einen höheren Betrag haben kann als bei Wicklungen grösserer Windungszahl.
Die Verbindung gleichnamiger Bürsten beider Kommutatoren kann innerhalb der Ständer- bohrung erfolgen, z. B. durch die Pollücke oder die Polmitte oder durch Nuten in Polen. Vorzugsweise werden derartige Verbindungen aussen um die Ständerbleche herum geführt, u. zw. zweckmässig inner- halb des Gehäuses. Man kann die Verbindungen in Aussparungen legen, die auf der äusseren Mantelfläche des Ständerblechpaketes angebracht sind. Derartige Aussparungen werden zweckmässig an der Polmitte angeordnet, da dort die Sättigung des Ständereisens am kleinsten ist. Erfindungsgemäss werden derartige Verbindungen so ausgeführt, dass sie möglichst streuungslos sind, z.
B. durch Verringerung des Abstandes ungleichnamiger Bürsten voneinander, Vermeidung oder Sperrung von Streuwegen durch Eisen in der Nähe derartiger Verbindungen usw. Die angegebene Art der Verbindungsführungen ist von besonderer Wichtigkeit, wenn man Flussabdrängung anwendet.
Die Verbindungen gleichnamiger Bürsten verschiedener Kommutatoren sind ein Kurzschlussweg für die Transformatorspannung. In diesen Kurzsehlussweg sind die Überbrückungswiderstände einzubauen. Diese Widerstände können einen Ohmschen, induktiven, kapazitiven oder beliebig kombiniert Ohmschen bzw. induktiven bzw. kapazitiven Charakter haben.
Induktive Widerstände bieten den Vorteil, dass in ihnen wenig Energie verlorenzugehen braucht.
Sie sind besonders dann am Platze, wenn sie im Lauf, wo sie ja mit Rücksicht auf die Höhe der Kommutierungsfrequenz in bezug auf die Stromwendung besonders störend sind, mehr oder weniger unwirksam gemacht werden. Eine bequeme Regelung von solchen induktiven Widerständen wird erfindungsgemäss durch Anwendung des Prinzips der Flussabdrängung als Regelprinzip erreicht.
Die störende Wirkung induktiver Widerstände gegenüber der Stromwendung kann erfindungsgemäss dadurch vermieden werden, dass im Lauf, d. h. in einem Drehzahlbereieh, in dem diese Wirkung nicht erwünscht ist, praktisch nur Ohmsche Widerstände zur Überbrückung der Transformatorspannung verwendet werden. Hiebei gibt es drei Ausführungsformen für diesen Erfindungsgedanken. Man kann im Stillstand bzw. Anlauf eine Reihenschaltung von Ohmschem und induktivem Widerstand verwenden, wobei der induktive Widerstand nach Massgabe der Erhöhung der Drehzahl unwirksam gemacht wird.
Der Ohmsche Widerstand braucht hiebei gar nicht geregelt zu werden. Er kann auch nach Massgabe der Erhöhung der Drehzahl verkleinert werden, wobei diese Verkleinerung schon gemeinsam mit einer Verkleinerung des induktiven Widerstandes oder auch erst nach Beendigung der Wirksamkeit desselben vorgenommen werden kann. Zweitens kann man im Anzug sich im wesentlichen auf einen induktiven Widerstand, im Lauf auf einen Ohmschen Widerstand beschränken ; man kann also sich bei Reihenschaltung beider Widerstände im Anzug mit einem kleinen oder gar keinem Ohmsehen Widerstand begnügen und bei Zunahme der Drehzahl gleichzeitig den induktiven Widerstand verkleinern und den Ohmschen Widerstand vergrössern. Im Lauf kann man dann wieder den Ohmsehen Widerstand bei Zunahme der Drehzahl verkleinern. Bei Parallelschaltung kann man sinngemäss verfahren.
Drittens kann man von Stillstand bis zu höherer Drehzahl lediglich Ohmsche Widerstände verwenden, die nach Massgabe der Zunahme der Drehzahl verkleinert bzw. zu Null gemacht werden.
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Die Regelung Ohmscher Widerstände ist ausserordentlich bequem, die Widerstände selbst und ihre Regelorgane sind verglichen mit Widerständen anderer Art billig und leicht gegenüber der Stromwendung, die bei neuzeitlichen Bahnmotoren sowieso die empfindlichste Stelle ist, ist der Ohmsche Charakter der günstigste. Die bevorzugte Ausführungsform besteht demnach in der Verwendung von Ohmschen Widerständen.
Es besteht beim Erfindungsgegenstand die Möglichkeit, weiche Bürsten zu verwenden, die in bezug auf Abnutzung und Laufeigenschaften Vorteile gegenüber harten Bürsten aufweisen können.
Der Erfindungsgegenstand erlaubt, einen etwa fehlenden Bürstenübergangswiderstand durch einen zusätzlichen Widerstand zu ersetzen. Es kann sogar der zusätzliche Widerstand auf einen günstigsten Wert justiert werden. Der zusätzliche Widerstand kann mit dem Überbrückungswiderstand vereinigt sein bzw. man braucht nur den Überbrückungswiderstand nach Massgabe des fehlenden Bürsten- übergangswiderstandes grösser zu machen.
Der Erfindungsgegenstand ist dadurch gekennzeichnet, dass ausser den an sich bekannten ver- änderlichen Kommutierungswiderständen im Lauf im wesentlichen ein drehzahlabhängiges Mittel der Transformatorspannung entgegenwirkt. Die Veränderlichkeit der Kommutierungswiderstände allein ist für einen zufriedenstellenden Betrieb im allgemeinen nicht ausreichend. In der Regel wird auch im Lauf die Transformatorspannung die Kommutierung störend beeinflussen. Da aber im Lauf die Widerstände klein sein sollen, würde dann der durch die Transformatorspannung verursachte Kurz- sehlussstrom über die Bürsten zu gross werden. Im Lauf ist es aber möglich, die Transformatorspannung durch andere Mittel unschädlich zu machen.
Zunächst kommen hiefür Wendepole in Frage. Die Wendepole können so ausgebildet sein, dass sie im Lauf nicht nur eine Spannungskomponente, die der Stromwendespannung entgegenwirkt, in die kommutierenden Ankerspulen einführen, sondern auch eine Spannungskomponente, die auch der Transformatorspannung entgegenwirkt. Man kann die Grösse dieser Komponenten unabhängig voneinander veränderbar machen oder auch zwangsläufig abhängig voneinander oder auch nur eine von beiden.
Die Einführung von zwei Spannungskomponenten in die kommutierenden Ankerspulen durch die Wendepole kann man dadurch erreichen, dass das Wendefeld gegenüber seiner in bezug auf die Stromwendung richtigen Phase phasenverschoben wird. Diese Phasenverschiebung des Wendefeldes kann man durch Überbrüekung der Wendewicklung über einen Ohmschen Widerstand, der gegebenenfalls veränderbar bzw. regelbar gemacht werden kann, erreichen. Man kann auch die Wendepole ausser mit einer (meistens vorhandenen) im Hauptschluss gespeisten Erregerwicklung noch mit einer im Neben- schluss gespeisten Erregerwicklung ausrüsten.
Um eine Unabhängigkeit des Erregerstromes in der Nebenschlusswicklung von dem Strom in der Hauptschlusswieklung zu erreichen, kann man in den Nebenschlusserregerkreis Widerstände einschalten, die so bemessen sind, dass sie den Charakter des Nebenschlusserregerkreises im wesentlichen bestimmen. Aber auch schon durch ein geringes Überwiegen des Spannungsabfalls der Widerstände kann in gewissen Fällen eine hinreichende Phasenverschiebung des Wendefeldes bewirkt werden. Der Charakter der Widerstände wird am besten der gewollten Phasenverschiebung angepasst. Eine Regelbarkeit der der Transformatorspannung entgegenwirkenden Wende-
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erreicht werden, die zweckmässig in Abhängigkeit von der Drehzahl vorgenommen wird.
Eine vom Hauptsehlusswendefeld unabhängige Ausbildung des Nebenschlusswendefeldes kann auch dadurch erzielt werden, dass man die Hauptschluss-und Nebenschlusserregerwieklungen der Wendepole ver- schiedene Wendepolkörper erregen lässt. Man kann also die Hauptsehluss-und Nebensehlusserreger- wieklungen auf verschiedene Wendepole setzen oder man kann die Wendepole axial aufspalten und die Wicklungen getrennt auf die Hälften setzen.
Eine Regelung der Phase des Wendefeldes kann in allen Fällen auch dadurch erreicht werden. dass die Nebensehlusswendepolerregerwieklung mit Anzapfungen versehen wird, so dass die wirksame Windungszahl dieser Wicklungen umgeschaltet werden kann.
Ein weiteres neuartiges Mittel zur Bekämpfung der Transformatorspannung besteht in der Flussabdrängung, besonders im Ständerjoch. Es kann allein oder zusätzlich mit Wendepolen verwendet
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spannung. Es wirkt bei verschiedenen Drehzahlen verschieden und ist besonders günstig im Stillstand bzw. Anzug und bei grösseren Drehzahlen. In Verbindung mit den veränderbaren Kommutierungswiderständen wird deswegen die Flussabdrängung in gewissen Fällen zweckmässig nicht über den ganzen Regelbereich vorgenommen und auch nicht über den ganzen Regelbereich in gleichem Masse, sondern vor allem bei grösseren Drehzahlen und gegebenenfalls auch im Stillstand bzw. Anzug.
Besonders vorteilhaft ist hier die Flussabdrängung im Ständereisen, vornehmlich im Ständerjoeh, gegebenenfalls auch im Läufereisen bzw. Läuferjoeh. Die bei der Kommutierung stattfindende Belastung der Bürsten, die durch die Steuerung der magnetischen Energien bedingt ist, und zur FunkenbildungVeranlassung geben könnte, kann noch durch Kondensatoren gemildert werden, die mit dem abgedrängten bzw. abzudrängenden Fluss durch diesen Fluss umschlingende Wicklungen verkettet sind.
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Wie eingangs erläutert, ist die Veränderbarkeit der in den Bürstenkurzschlusskreis eingeschalteten ruhenden Kommutierungswiderstände ein Hauptmerkmal der Erfindung. Erfindungsgemäss werden die Widerstände in Abhängigkeit von der Drehzahl geregelt, u. zw. vorzugsweise selbsttätig. Die Regelung kann in Abhängigkeit von einer beliebigen Betriebsgrösse erfolgen. Insbesondere wird man eine Abhängigkeit von der Drehzahl wählen. Diese kann z. B. durch Benutzung eines drehzahlabhängigen Organs, wie Geschwindigkeitsmessers, Fliehkraftreglers u. dgl., erfolgen. Man kann die Regelung auch direkt von der Stellung eines Kontrollers der Maschine abhängig machen. Besonders geeignet ist eine derartige Anordnung beim Lokomotivmotor. Die Regelung der Widerstände selbst kann auf verschiedene Weise erfolgen, z.
B. mittels Schützen, mittels Verstellmotor, mittels Steuerwalze usw.
Die Regelung der Kommutierungswiderstände erfolgt vorzugsweise grobstufig. Ein extremer Fall für eine solche Regelung kann darin bestehen, dass der Widerstand im Anlauf einen gewissen Wert hat und im Lauf einen kleinen Wert hat bzw. praktisch gleich Null ist. Die Regelung kann dann hier derart vorgenommen werden, dass bei Anlauf der Widerstand voll eingeschaltet ist, während er bei einer passenden Drehzahl mehr oder weniger unwirksam gemacht wird, z. B. durch teilweisen oder ganzen Kurzschluss, grobstufige Umschaltung od. dgl.
Ausser der Regelung der Kommutierungswiderstände kann auch eine Regelung des Wendefeldes vorgenommen werden.
Vielfach ist es erwünscht, die totale Bürstenbreite möglichst gross zu halten. Erfindungsgemäss wird dies dadurch ermöglicht, dass die bzw. jede Bürste aus zwei oder mehreren Teilbürsten von geeigneter vorzugsweise der obengenannten Breite zusammengesetzt ist. Hiebei ist zu vermeiden, dass über die Teilbürsten ein unerwünschter Kurzschluss einer Transformatorspannung, z. B. ein Kurz- schluss einer ganzen Spule bzw. Schleife (zwischen zwei Hauptlamellen) zustande kommt.
Die Aufteilung einer Bürste bringt mehrere Vorteile : Die totale Bürstenbreite wird vergrössert ; die Stromwendespannung wird verringert. Die Teilbürsten können erfindungsgemäss unter Verwendung von hinreichend isolierenden Zwischenschichten zu einer einzigen zusammengefasst werden, so dass dadurch eine einzige breite Bürste entsteht.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass, insbesondere unter Verwendung der angegebenen veränderbaren Kommutierungswiderstände, die Einrichtung so getroffen wird, dass bei höheren Tourenzahlen der Maschine (im Lauf) Flussverdrängung wesentlich im Luftspalt erfolgt, im Stillstand bzw. Stillstand und Anzug dagegen die Maschine ohne Flussabdrängung arbeitet oder aber Flussabdrängung wesentlich im Eisen (Läufer-oder Ständereisen, bzw.-joeh), vorzugsweise im Ständereisen, insbesondere Ständerjoeh, erfolgt.
Beim Gegenstand der Erfindung können die veränderbaren Kommutierungswiderstände gegebenenfalls an sich bekannte stromabhängige Widerstände sein, derart, dass sie beim Anlassen der Maschine grossen Widerstand besitzen und dann selbsttätig einen geringen Widerstand annehmen, so dass sie im Lauf der Maschine einen wesentlich geringeren oder praktisch den Widerstand Null besitzen.
Die Verwendung von Kommutierungswiderständen, die nicht in die Maschine eingebaut sind, bietet noch andere wesentliche Vorteile. Eingebaute Kommutierungswiderstände vergrössern die Baulänge, den Preis und das Gewicht der Maschine. Diese Nachteile vermeiden die getrennten Kommutierungswiderstände. Dies ist besonders für den Bahnbetrieb von Wichtigkeit. Hinzu kommt, dass eingebaute Widerstände die Erwärmung benachbarter Maschinenteile (Läuferwicklung und besonders Kommutator) zusätzlich erhöhen. Also auch mit Rücksicht darauf wirkt sich die getrennte Anordnung der Kommutierungswiderstände in einer Verkleinerung der Grösse und des Gewichtes der Maschine aus.
Von Wichtigkeit ist ferner der Umstand, dass getrennte Widerstände leicht gekühlt werden können, z. B. auch künstlich. Auf der Lokomotive können z. B. auch die Widerstände ausserhalb angeordnet werden, wo der Fahrwind zur Kühlung herangezogen werden kann bzw. sie können durch die Lokomotivlüfter mit gekühlt werden u. dgl. Unter Umständen kann man sie auch zur Raumbeheizung heranziehen.
Zur weiteren Erläuterung des Erfindungsgedankens mögen die in den Fig. 1-12 dargestellten Ausführungsbeispiele dienen.
Die Fig. 1 und 2 stellen Abwicklungen von einfachen Schleifenwicklungen über eine doppelte Polteilung dar. Die Fig. 1 unterscheidet sich von der Fig. 2 durch die Lamellenzahl. Die Wicklungen bestehen immer aus je einer Windung je Schleife, d. h. je einer Halbschleife je kommutierendem Wicklungselement. Das Läufereisen ist mit 1 angedeutet. Auf jeder Seite ist je ein Kommutator an die Wicklungen angeschlossen. Die beiden Kommutatoren sind mit den Ziffern 2 und 3 bezeichnet.
Von der Seite des einen Kommutators aus betrachtet, ist die Wicklung,, ungekreuzt" oder,, vorwärts- schreitend" ; von der Seite des andern Kommutators aus betrachtet ist die Wicklung "gekreuzt" oder ,, rückwärtsschreitend". Die Wicklungen sind hier beispielsweise so gewählt, dass sie bei der Fig. 1, von der Seite des Kommutators 2 aus betrachtet, als ungekreuzt erscheinen, während bei Fig. 2 die Wicklung, von der Seite des Kommutators 2 aus betrachtet, gekreuzt ist. Bei beiden Abbildungen ist jede Halbschleife bzw. jeder Stab auf jeder Seite an je eine Hauptlamelle angeschlossen. Auf dem einen Kommutator tragen die Hauptlamellen ungeradzahlige Nummern, auf dem andern Kommutator geradzahlige Nummern.
Zwischen allen Hauptlamellen ist je eine Blindlamelle, die nicht mit der Wicklung
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verbunden ist, angeordnet. Als Material für die Blindlamellen wird zweckmässig Kupfer verwendet. Man könnte die Blindlamellen auch aus anderm Material herstellen, z. B. aus Isolationsmaterial, sofern die Abnutzungseigenschaften in Einklang mit denjenigen der Hauptlamellen gebracht werden können. Alle Lamellen haben hier zweckmässig gleiche Breite. Die Bürsten sind so breit gewählt, dass sie nie gleichzeitig drei Lamellen berühren.
Die Stellung gleichnamiger Bürsten der beiden Kommutatoren (hier die Bürsten 1 und 6 bzw. 5 und 7) sind alle gleich, also auch relativ gleich gegenüber der Lage der
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Zeitpunkt eine Bürste eines Kommutators gerade auf einer mit der Mitte einer Schleife verbundenen Hauptlamelle steht (ohne dabei die beiden benachbarten Blindlamellen zu berühren) und die zugehörige gleichnamige Bürste des andern Kommutators gerade auf derjenigen Blindlamelle steht, welche zwischen den mit den beiden Enden derselben Schleife verbundenen Hauptlamellen sich befindet (wiederum ohne dabei die beiden benachbarten Hauptlamellen zu berühren). Z.
B. steht in Fig. 1 die Bürste 4 gerade auf der mit dem Mittelpunkt der Schleife 8 verbundenen Hauptlamelle und die zugehörige Bürste 6 auf der Blindlamelle 7, die zwischen den mit den Endpunkten der Schleife 8 verbundenen Hauptlamellen 6 und 8 liegt, und weiterhin steht die Bürste 5 gerade auf der Hauptlamelle 19, die mit dem Mittelpunkt der Schleife 9 verbunden ist, während die Bürste 7 auf der Blindlamelle 19 steht, die zwischen den mit den Endpunkten der Schleife 9 verbundenen Hauptlamellen 18 und 20 liegen. Die Fig. 2 ist hierin analog. Die gleichnamigen Bürsten 4, 6 bzw. 5, 7 sind miteinander verbunden. In Fig. 1 ist die Zahl der Hauptlamellen gleich der Zahl der Blindlamellen gleich einer geraden Zahl je Kommutator gewählt, nämlich gleich zwölf.
Die Abstände benachbarter Bürsten sind alle gleich gewählt, u. zw. ist die Bürstenteilung gleich der Polteilung (tp), bezogen auf den Kommutator. Man kann sieh leicht davon überzeugen, dass hier die resultierende Summe der Ströme in allen Leitern des Ankers
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symmetrisch, was in bezug auf die Stromwendung sehr günstig ist.
In Fig. 2 ist zum Unterschied von dem vorangehenden Beispiel die Zahl der Hauptlamellen gleich der Zahl der Blindlamellen gleich einer ungeraden Zahl je Kommutator gewählt, nämlich hier gleich 11. Die Bürstenteilung ist wieder symmetrisch, nämlich gleich der Polteilung (, ci . Diese Anordnung erlaubt Flussabdrängung im Ständerjoch.
Den dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Merkmal gemeinsam, dass zwischen gleichnamigen Bürsten verschiedener Kommutatoren die Transformatorspannung in Erscheinung tritt, also zwischen den Bürsten 4 und 6 bzw. zwischen den Bürsten 5 und 7. Unter den Bürsten, also zwischen zwei durch eine einzige Bürste kurzgeschlossenen Lamellen, tritt die Transformatorspannung nicht auf, sondern immer zwischen zwei zugehörigen Bürsten. Es ist daher die Möglichkeit gegeben, die Transformatorspannung durch ruhende, veränderbare Widerstände zu überbrücken. Diese Widerstände müssen zwischen den zugehörigen Bürsten wirksam sein. Sie sind im Anlauf mit Rücksicht auf die Transformatorspannung gross, im Lauf mit Rücksicht auf die Stromwendespannung klein bzw. gleieh Null.
Die Widerstände bilden gewissermassen Verzweigungen, über die die Stromzufuhr erfolgt. Solche Verzweigungen sind in den Fig. 3-9 durch Ausführungsbeispiele veranschaulicht.
In Fig. 3 erfolgt die Speisung eines Bahnmotors von dem Fahrdraht 16 aus mit Hilfe des Lokomotivtransformators 17. Die Maschine hat die beiden Kommutatoren 2 und 3, auf denen die Bürsten 4-7 schleifen. An den Lokomotivtransformator sind die zusammengehörigen Bürsten 4 und 6 über die regelbaren Widerstände 12 bzw. 14 angeschlossen. Die zu den Bürsten 4, 6 gehörigen ungleichnamigen
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der Widerstände liegen keine Widerstände.
In den Fig. 4-9 sind Ausführungsbeispiele für den Fall dargestellt, dass die Überbrüekungs- widerstände als Widerstandsverzweigungen ausgebildet sind. Mit 26 ist stets die Zuleitung bezeichnet, in die kein Widerstand eingeschaltet ist. Es sind nur zwei zusammengehörige Bürsten 4 und 6 herausgegriffen. In Fig. 4 sind Widerstände in beide Zuleitungen zu den Bürsten, in Fig. 15 nur in die Zuleitung zu einer einzigen Bürste, beispielsweise in die Zuleitung zu der Bürste 4 geschaltet.
Fig. 6 zeigt die Verwendung regelbarer Ohmseher Widerstände ; Fig. 7 die Verwendung zweier induktiver regel-
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induktiven Widerstand findet, während bei Verzweigungen des Stromes der Widerstand für den Betriebsstrom möglichst klein ist ; Fig. 9 zeigt die Reihenschaltung von induktiven und Ohmschen regelb ; rell Widerständen. An Stelle der Reihenschaltung von induktivem und Ohmsehem Widerstand kann in andern Fällen eine Parallelschaltung zweckmässig sein. Die Fig. 4-9 sollen keine erschöpfenden Darstellungen der Ausführungsmöglichkeiten für Widerstandsverzweigungen sein. Es sind ausser den gezeigten Beispielen noch andere sinngemässe Anordnungen möglich, die auch im Rahmen der Erfindung liegen.
Zu den Widerständen kann man noch Kondensatoren zur Verminderung der Sehaltarbeit der Bürsten parallel schalten. Es besteht die Möglichkeit, mehrere Verzweigungen zu einer einzigen zusammenzufassen.
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Erfindungsgemäss kann man mit nur zwei Widerstandsverzweigungen für eine Maschine auskommen, indem man alle gleichnamigen Bürsten gleicher Kommutatoren parallel schaltet.
Fig. 10 zeigt eine Anordnung, bei der jede Bürste in zwei Teilbürsten aufgeteilt ist. Die einzelnen Teilbürsten selbst schliessen keine Spannungen zwischen Nachbarlamellen kurz. Vielmehr tritt die Lamellenspannung zwischen den beiden Teilbürsten selbst auf. Die beiden Bürsten stimmen in ihrer Teilung mit der Teilung zweier benachbarter Hauptlamellen überein. Die beiden Teilbürsten 4 a und 4 b bzw. 5 a und 5 b sind durch einen Widerstand, insbesondere eine Stromteilerdrossel 27 bzw. asz miteinander verbunden. Der Strom wird der Drossel in ihrer Mitte zugeführt bzw. abgenommen. Sie ist
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zwischen den Teilbürsten besteht, herrührenden Strom als Drosselspule wirkt.
Fig. 11 zeigt eine Anordnung, die die Verwendung eines einzigen Kommutators ermöglicht.
Es sind wiederum Blindlamellen vorgesehen, aber hier doppelt so viel als Hauptlamellen, u. zw. je zwei zwischen zwei Hauptlamellen. Die Bürsten erhalten hier eine Breite, die nicht grosser ist als die Summe der Breite zweier Blindlamellen und dreier Isolationsstege. Die Bürste einer Polarität ist in zwei Teilbürsten aufgeteilt, die durch einen regelbaren Kommutierungswiderstand, der als Widerstandsverzweigung dient, überbrückt sind. Der lichte Abstand der beiden Teilbürsten soll nicht kleiner sein als die Breite einer Blindlamelle. In besonderen Fällen kann man die Breite der Blindlamelle kleiner wählen als die Breite der Hauptlamelle und dadurch ein Zusammenrücken der beiden Teilbürsten ermöglichen.
Die beiden Teilbürsten können in analoger Weise, wie das zuvor schon gelehrt worden ist, zu einer einzigen Bürste zusammengefasst werden. Die Anordnung der Fig. 11 unterscheidet sieh aber grundsätzlich von der durch Fig. 10 dargestellten Anordnung. In Fig. 11 nämlich wird der Abstand von den beiden Teilbürsten so gewählt, dass stets ein Stromübergang des Betriebsstromes zur Wicklung möglich ist, u. zw. bei allen Stellungen des Kommutators, d. h. so, dass zu keinem Zeitpunkt beide Bürsten keine Hauptlamellen berühren.
Im Gegensatz hiezu sind die Abstände der beiden Teilbürsten in der Fig. 10 derart gewählt, dass auch solche Bürstenstellungen vorkommen können, bei denen beide Teilbürsten keine Hauptlamellen berühren können. Daraus ist ersichtlich, dass eine Bürstenanordnung nach Fig. 10 allein nicht geeignet wäre, um eine störungsfreie Stromzufuhr zu ermöglichen. Im Gegensatz hiezu kann bei Fig. 11 bei allen Stellungen der Bürste eine störungsfreie Zufuhr des Betriebsstromes erreicht werden. Mit Rücksicht auf die spezifische Bürstenbelastung durch den Betriebsstrom gibt es einen günstigen Abstand der beiden Teilbürsten voneinander, der eine Grössenordnung hat, wie sie für Fig. 11 gewählt ist.
Fig. 12 zeigt eine Anordnung, welche die Verwendung eines einzigen Kommutators ermöglicht, wobei jedoch die Zahl der Blindlamellen gleich der Zahl der Hauptlamellen gewählt ist. Um dies zu ermöglichen, muss der Abstand der beiden Teilbürsten voneinander vergrössert werden. Wenn man hier der Kürze halber von der Breite der Isolationsstege absieht, so wird zweckmässig der lichte Abstand der beiden Teilbürsten voneinander gleich der Summe der Breite einer Hauptlamelle und der Breite einer Blindlamelle gemacht und die Breite der Teilbürsten gleich der Breite einer Blindlamelle. Den Kommutator kann man bei dieser Anordnung auch in zwei Kommutatoren auflösen, die auf der gleichen Wicklungsseite angeschlossen werden und zweckmässig auf derselben Maschinenseite liegen.
EMI7.2
1.
Weehselstromkommutatormasehine, insbesondere Einphasenbahnmotor, vorzugsweise Industriefrequenz (Deutschland 50 Hz, U. S. A. 60 Hz), dadurch gekennzeichnet, dass'-die Ankerwicklung aus einer Schleifenwieklung besteht und zwischen den Lamellen, an die die Schleifenwicklung angeschlossen ist ("Hauptlamellen"), Hilfslamellen, vorzugsweise Blindlamellen, angeordnet sind, die zweckmässig aus Kupfer bestehen und die gleiche Breite wie die Hauptlamellen besitzen und auf dem Kommutator in gleicher Anzahl wie die Hauptlamellen vorhanden sind-jeder der Spannungs- anschlüsse der Maschine zu zwei Bürsten führt, die in ein und derselben Kommutierungszone angeordnet sind-diese beiden Bürsten durch ruhend angeordneten,
veränderbaren Widerstand verbunden sind und dieser Widerstand im Anlauf der Maschine (bzw. im Anzug bzw. Stillstand) einen wesentlich grösseren Wert als im Lauf besitzt (im Lauf gegebenenfalls den Wert Null hat)-, der Transformatorspannung im Lauf ein drehzahlabhängiges Mittel entgegenwirkt, indem beispielsweise phasenverschobene Wendefelder vorgesehen sind oder die Maschine so eingerichtet ist, dass der von einem durch eine Bürste kurzgeschlossenen Stromweg umschlungene Fluss abgedrängt wird auf einen von keinem kurzgeschlossenen Stromweg umschlungenen Hauptflussweg.