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Regelbare Unipolarmaschinen, besonders für Drehmomentenwandler
Die Regelung bekannter Unipolarmaschinen (Spannung, Drehmoment) erfolgt-wie bei gewöhnlichen Gleichstrommaschinen - in bekannter Weise durch Änderung des Magnetisierungsstromes in den Erregerwicklungen. Soll daher die Regelung abhängig von einer nichtelektrischen etwa z.
B. mechanischen Grösse erfolgen, so müssen Einrichtungen verwendet werden, die einen Zusammenhang zwischen der mechanischen Grösse und der Grösse des zuzuordnenden Erregerstromes herstellen (Relais, verstellbare Widerstände usw.). Solche Einrichtungen verursachen Anschaffungs- und Betriebskosten und geben gelegentlich Anlass zu fehlerhaftem Betrieb (ungenaues Arbeiten, mechanische und elektrische Trägheits- oder Schwingungserscheinungen usw.). miindungsgemäss sollen diese Schwierigkeiten dadurch überwunden werden, dass die Spannungsregelung bzw. Drehmomentenregelung nicht durch Änderung des Magnetisierungsstromes, sondern durch Verschiebung der Gleitkontakte, d. h. durch einen mechanischen Vorgang, erfolgt.
Die Erfindung führt demnach zu Unipolarmaschinen, deren Gleitkontakte oder deren Magnetkörper gegenüber diesen Gleitkontakten so verschoben werden können, dass sich die Grösse des die Spannung (Gegenspannung) zwischen den inneren und äusseren Gleitkontakten erzeugenden Magnetflusses ändert, wobei im Fall von unipolaren Drehmomentenumformern die Verschiebung der Gleitkontakte oder der Magnetkörper je nach den Betriebserfordernissen gegebenenfalls jeweils nur im Generator oder Motor vorgenommen werden kann. Mit der Verschiebung der Gleitkontakte kann dabei, wenn diese nicht axial erfolgt und sich die Gleitgeschwindigkeit daher ändert, gegebenenfalls gleichzeitig die Grösse der Kontaktfläche bzw. bei Anwendung von Flüssigkeitskontakten die Grösse der von Kontaktflüssigkeit bedeckten Kontaktgliedoberflächenteile geändert werden.
Fig. l, in der eine Unipolarmaschine klassischer Bauart angedeutet ist, lässt den Erfindunggedanken erkennen. Während das eine Gleitkontaktsystem B an der Maschinenwelle gleitet, ist das andere biaxial verschiebbar am Aussenumfang oder alternativ (B1") radial verschiebbar an der linken Läuferstirnfläche angeordnet und gegebenenfalls so ausgebildet, dass sich seine Kontaktfläche je nach dem Achsabstand verändern lässt (s. Fig. l rechts Kontaktflächen B1" und B1" +). Bei Kohlebürsten kann dies dadurch verwirklicht werden, dass eine mehr oder weniger grosse Zahl von Kohlebürsten zum Anliegen gebracht wird. Bei Flüssigkeitsstrahlkontakten lässt sich dies entweder durch Veränderung der Strahlaustrittsquerschnitte oder Veränderung des Kontaktflüssigkeitsdruckes erzielen.
Radial kurze Bemessung der Kontaktflächen, so wie in Fig. l angedeutet (s. "und B,"+), erscheint dabei im Hinblick auf auftretende elektrische zusätzliche Verluste empfehlenswert.
Stellt B1" z. B. die mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad (elektrische und mechanische Kontaktverluste) bei Stromabnahme in der Nähe des Läuferumfanges gerade noch zulässige Schleifkontaktfläche dar, so lässt sich durch Verschiebung der Gleitkontakte in Richtung zur Maschinenachse bei gleichzeitiger Vergrösserung ihrer Kontaktflächen auf B1"+ auch bei steigender Stromstärke erreichen, dass die Summe der elektrischen und mechanischen Kontaktverlust klein bleibt bzw. sich nicht ändert.
Durch entsprechende Gleitkontaktverschiebung bei gegebenenfalls gleichzeitiger Veränderung der Kontaktflächen ist es also möglich, bei geringeren Klemmenspannungen grössere Stromstärken und umgekehrt aus der Maschine zu entnehmen oder ihr zuzuführen. Die Anwendung von Kompensationsleitern zur Vermeidung der Ankerrückwirkung ist natürlich auch bei erfindungsgemässer Verschiebung der Gleitkontakte wie bei bekannten Unipolarmaschinen möglich (s. Fig. l Leiter Kil', Ksi").
Zur Leistungsübertragung von Arbeitsmaschinen mit starrer Tourenzahlcharakteristik (Wärmekraftmaschinen, Synchronmaschinen usw.) auf Verbraucher, die eine vom jeweiligen Drehmoment abhängige
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veränderliche Tourenzahl verlangen (Lokomotiven, Förder-, Walzwerkmaschinen usw. ) werden in bekannter Weise Einrichtungen benützt, die eine Drehmomentenwandlung entweder elektrisch, im wesentlichen nach dem Ward-Leonhard-System oder hydraulisch nach dem Föttinger-Prinzip bewirken.
Bei den elektrischen Drehmomentenwandlern wird die bei konstanter Tourenzahl des Antriebsmotors (z. B. Dieselmotors) zur Verfügung stehende Leistung an einen Gleichstromgenerator abgegeben, der seinerseits einen den Verbraucher antreibenden Gleichstrommotor speist. Für Bahnbetrieb erscheint dabei der Reihenschlussmotor besonders geeignet, weil sein Drehmoment bei abnehmender Tourenzahl steigt, so wie es z. B. beim Anfahren der Lokomotiven oder bei Fahrten auf steilen Gebirgsrampen nötig ist. Der Motor muss je nach dem Betriebszustand ganz allgemein elektrisch stets das Drehmoment erzeugen, das mechanisch jeweils benötigt wird. Der Generator muss demnach bei kleiner Motordrehzahl, d. h. bei kleiner Motor- klemmenspannung. z.
B. beim Anfahren oder beimBefahren vonBergrampen, grossenStrom, beihohen Motor- drehzahlen und damithohen Motorklemmenspannungen dagegen einen kleinen Strom an den Motor abgeben.
Da nun der Strom sowie die Klemmenspannung des Motors mit dem Strom sowie der Klemmenspannung des Generators übereinstimmen, bedeutet dies, dass für den Fall vollster Ausnützung der Antriebsleistung des Diesels bei allen Motordrehzahlen die Abhängigkeit der Generatorklemmenspannung vom Generatorstrom (äussere Charakteristik) hyperbelartigen Verlauf besitzen soll.
Gewöhnliche elektrische Maschinen besitzen eine solche Charakteristik an und für sich nicht. Bei elektrischen Drehmomentenwandlem wird deshalb durch mehr oder weniger komplizierte Einrichtungen (Nebenschluss-, Reihenschluss-, Verbund-, Gegenverbund-, Fremderregung, Ausnützung von Sättigungserscheinungen, Servosteuerung usw.) versucht, eine möglichst gute Anpassung der Generatorcharakteristik an die Hyperbel zu erzielen. Dies ist jedoch mit Kosten sowie mit Komplikationen der Schaltungen verbunden, die gerade beim Bahnbetrieb höchst unerwünscht erscheinen.
Auch bei Heranziehung von Unipolarmaschinen für Drehmomentenumformer besteht grundsätzlich zunächst die gleiche Schwierigkeit wie bei gewöhnlichen Gleichstrommaschinen. Auch sie besitzen an und für sich nicht die wünschenswerte hyperbelartige Charakteristik. Durch Anwendung der erfindungsgemässen Bürstenverschiebung ist es bei ihnen aber viel leichter möglich, eine Anpassung an die Idealbedingungen zu erreichen.
Fig. 2 lässt einen elektrischen Drehmomentenwandler mit Unipolarmaschinea solcher Bauart erkennen.
Auf der vom Dieselmotor direkt oder über Vorgelege angetriebenen Welle W sitzt der Generator G, der mit dem Motor M elektrisch einerseits über die Zentralkontakte ZK und anderseits über Gleitkontakte
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verbunden werden können, befinden sich in der dem Anfahren des Drehmomentenwandlers entsprechenden Stellung, d. h. im Generator wird nur eine dem kurzen Läuferstück zwischen dem Gleitkontakt Gll und dem rechten Maschinenende entsprechende geringe Spannung erzeugt, während im Motor die gesamte Länge vom linken Motorende bis zum linken Ende der Erregerwicklung W zur Drehmomentenerzeugung zur Verfügung steht (d. h. das volle Feld kommt dort zur Wirkung). Gl'und GI 'geben die Stellungen der Gleitkontakte für normalen Betrieb, d. h.
für volle Maschinenleistung bei voller Generatorspannung, wieder. Jetzt steht die volle Läuferlänge zwischen dem rechten Erregerwicklungsende und rechten Maschinenende des Generators zur Spannungserzeugung zur Verfügung, und auch im Motor kommt die gesamte
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h. dasist. Es ist natürlich auch möglich, statt einer Verschiebung der miteinander verbundenen Gleitkontakte Gl und Gl diese raumfest zu halten und die Magnetkörper des Motors und Generators entsprechend gegeneinander zu verschieben (s. Fig. 3, in der die Lagen der Magnetkörper, wie sie den 3 Betriebszuständen der Fig. 2 entsprechen [ ebenso wie dort die Gleitkontakte], voll, punktiert und strichpunktiert angedeutet sind). Die Maschinenläufer werden allerdings dann länger.
Fig. 4 lässt einen elektrischen Drehmomentenwandler mit Unipolarmaschinen anderer Bauart erkennen.
Auf der vom Dieselmotor direkt oder über Vorgelege angetriebenen Vollwelle Vw sitzen die beiden Gene-
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folgt durch die Wicklungen W und W jeweils gemeinsam für einen Generator- und Motorteil. Die Generator-und Motorteile sind über die nichtrotierenden Kontakte GL"GI"die auch als Flüssigkeitskontakte ausgebildet sein können, elektrisch verbunden.
Wird nun der Generator angetrieben, dann fliesst Strom, wie er in Fig. 4 durch Pfeile angedeutet ist, durch die Maschine bzw. durch die Vollwelle zurück. Der Motor dreht sich in der gleichen Richtung wie der Generator. Die Abgabe des Motordrehmomentes kann, wie in Fig. 4 angedeutet, z. B. über ein Getriebe G auf die Abtriebswelle A erfolgen. Durch Verschiebung der Maschinenständer, ähnlich wie in Fig. 3, ist es möglich, bei voller Ausnützung der Dieselantriebsleistung und konstanter Generatordrehzahl, d. h. auch unveränderlicher Dieseldrehzahl, bei jeder Drehzahl der Abtriebswelle nach Beendigung des Anfahrvorganges bis zur Nenndrehzahl konstante Leistung zu übertragen. Die Vollwelle wird am besten aus gut leitendem Material (z. B. Chromkupfer) ausgeführt.
Da sowohl der Motor wie der Generator gemeinsame Erregerwicklungen besitzen, lässt sich die Umkehr der Drehrichtung des Motors allerdings nicht durch Stromwendung in den Erregerwicklungen erreichen. Es ist vielmehr nötig, entweder die Stromrichtung im Motor oder im Generator umzukehren. Fig. 5 deutet eine solche mögliche Einrichtung an. Die raumfesten Maschinenteile F. und F der Fig. 4 werden zu diesem Zweck aus je zwei isolierten Hälften F', F"bzw. E', F"ausgeführt und diese über einen Umkehrschalter Us verbunden. Der Schalter kann z. B. bei grossen Stromstärken vorteilhafterweise als Flüssigkeitskontaktschalter ausgebildet werden.
Neben der Eigenschaft, volle Drehmomentenumformung zu ermöglichen, beinhaltet die Einrichtung nach Fig. 4 auch den Vorteil, dass sowohl der Motor als auch der Generator zur Spannungserzeugung voll ausgenützt werden (sowohl der in die walzenförmigen Maschinenteile eintretende, als auch der austretende Kraftfluss wird zur Spannungserzeugung benützt). Der Drehmomentenwandler nach Fig. 4 besitzt deshalb ein sehr geringes Leistungsgewicht, das in bekannter Weise durch Hintereinanderordnung von zwei oder mehreren Aggregaten (s. Fig. 6) noch weiter verkleinert werden kann.
Bemerkenswert ist weiter, dass er neben ausserordentlicher Wärmekapazität und guter direkter Kühlmöglichkeit durch Flüssigkeit (d. h. hoher kurzzeitiger und länger dauernder thermischer Überlastbarkeit) den zusätzlichen Vorteil der vollen Kompensation des Ankerfeldes im bezug auf den Ständer besitzt (Stromrückfluss durch die Maschinenwelle).
Eine Ausführung, bei der auch der Läufer weitgehend kompensiert erscheint, ist in Fig. 4a angedeutet.
Der Stromfluss kommt hier von der Vollwelle Vw über den besonders ausgebildeten Generatorteil LIG bzw. den in dieser Ausführung dargestellten Flüssigkeitskontakt Gl. über den ortsfesten Kompensationsleiter Ko,
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einfachheitshalber nur in der Mittelstellung angedeutet.
Die Anordnungen nach Fig. 4 und Fig. 6 lassen sich natürlich auch mit radial verschiebbaren Kontakten (ähnlich Fig. l) ausführen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Unipolarmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitkontakte oder Flüssigkeitsgleitkontakte gegenüber dem induzierten Teil oder umgekehrt oder die zusammenwirkenden Magnetkörper der Maschine gegeneinander so verschiebbar angeordnet sind, dass sich bei Verschiebung der Gleitkontakte oder der Magnetkörper der die elektromotorische Kraft zwischen den Gleitkontakten bzw. das Drehmoment erzeugende Anteil des magnetischen Flusses ändert.