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Mehrphasenkollektormaschine.
Bekannt sind die Einphasenrepulsionsmotoren, welche relativ zum Felde einachsig kurzgeschlossene Bürsten haben und durch Feldregelung bzw. Feld-oder Bürstenverdrehung angelassen oder reguliert werden können. Ihre Vorteile bestehen unter anderem in erster Linie in ihrer Einfachheit sowohl in der Ausführung, wie in der Einfachheit ihrer Regelung und haben z. B. dazu geführt,-dass man sie selbst in Mehrphasennetzen für grössere Leistungen benutzt hat, indem man den Dreiphasenstrom durch Zerlegung nach der Skottschen Schaltung in zwei Einphasenströme gespalten und den Motor durch zwei gekuppelte Einphasenrepulsionsmotoren ersetzt hat.
Ebenso sind bekannt die verschiedenen Arten von Einphasenkommutatormotoren mit zweiachsigen Bürstensätzen, von denen der eine, sei es in der Hauptachse oder in der hierzu senkrechten oder in einer irgendwie geneigten Achse, kurzgeschlossen oder über eine niedere Erregerspannung in sich geschlossen ist und der andere durch Anschluss an einen Stromkreis von in weiteren Grenzen veränderlicher Spannung und Strom zur Tourenregelung benutzt wird.
Bei Mehrphasenkommutatormotoren, ist das gleiche nicht ohne weiteres möglich, weil die Statorwicklung ein Feld in verschiedenen Richtungen erzeugt.
Würde man den Anker eines solchen Mehrphasenkommutatormotors durch zwei Bürsten kurzschliessen, so würden dieselben zu einer Achse neutral liegen, in der hierzu senkrechten Achse aber einen direkten Kurzschluss der Feldamperewindungen bewirken bzw. das Feld vernichten. Das Resultat würde genau das gleiche sein, als wenn man den Anker eines mehrphasigen Induktionsmotors anstatt über drei, über zwei Schleifringe kurzschliesst, 'wodurch man bekanntlich derartige Motoren anlassen kann, jedoch nicht ähnliche Eigenschaften wie beim Einphasenrepulsionsmotor erzielt.
Schliesst man den Anker eines Mehrphasenkommutatorniotors über drei Bürsten kurz, - so ist dieses im Prinzip identisch mit dem Kurzschluss über drei Schleifringe beim mehrphasigen Induktionsmotor. Es sind ebenso wie dort Widerstände zum Anlassen erforderlich. Man findet derartige Motoren wohl als dreiphasige Repulsionsmotoren bezeichnet. Eigenschaften, wie sie der Einphasenrepulsionsmotor aufweist, kommen dabei aber nicht in Frage.
Andrerseits sind Repulsionsmotoren für Mehrphasenstrom an sich bekannt. Bei diesen
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sind, so dass gewissermassen jedes Polpaar einen unabhängigen einphasigen Repulsionsmotor darstellt. Auf diesem Prinzip beruhende Motoren sind durch ihre Wirkungsweise praktisch unbrauchbar.
Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass es bei Mehrphasenkommutatormotoren bei geeigneter Ausführung der Wicklung, und zwar der Rotorwicklung als Sehnenwicklung, auch ohne Zerlegung der Pole der Maschine in Polpaare'möglich ist. den Einphasenreplusionsmotoren wesensgleiche Eigenschaften zu erzielen, und zwar durch paarweises, der Phasenzahl entsprechend verschiedenachsiges Kurzschliessen von Bürsten,
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Winkel verschieden ist von dem Winkel zwischen den Achsen der verschiedenen Phasen der Statorwicklung.
In den Fig. 4 bis II sind verschiedene Anwendungen des Prinzipes erläutert, während die Fig. i bis 3 zur Erläuterung der bekannten Vorgänge dienen.
Fig. i und 2 zunächst stellen Schemata für einphasige Repulsionsmotoren in der Nullstellung dar, und zwar Fig. i mit einem einfachen Bürstensatze, der in der Richtung x-x den Anker kurzschliesst. Fig. 2 mit vier parallelen Bürstensätzen, die den Anker in der gleichen Richtung x-x kurzschliessen. Der stark ausgezogene Kreis S bezeichnet die Statorwicklung mit den einphasigen Zuführungen 1, 1, R die Rotorwicklung bzw. deren Kommutator mit den innen eingezeichneten Bürsten.
Das Feld ist durch die innerhalb des Rotors eingezeichneten zwei Pfeile markiert und induziert in den beiden Ankerhälften Spannungen von untereinander gleicher Phase, wie durch die ausserhalb des Rotors eingezeichneten kleinen Pfeile angedeutet ist und die in der gezeichneten Stellung sich relativ zur Kurzschlussachse aufheben. Werden derartige Motoren dann z. B. durch Verdrehung der Bürsten angelassen, so bewirken die zwischen den Bürsten induzierten Ströme zunächst lediglich eine Verdrehung der Feldarhse, deren senkrechte Komponente durch die Statorwicklung bestimmt ist.
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Das Wesen des Repulsionsmotors beruht auf der einachsigen Komponente des Stator feldes, wie sie dem Einphasenmotor eigen ist, und dem einachsigen Kurzschluss des Rotors.
Fig. 3 zeigt das zweipolige Schema eines Dreiphasenkommutatormotors mit den drei Zuleitungen 1, 2,3 und dreiachsig, beispielsweise nach den Achsen u,'1), w, kurzgeschlossenen Bürsten. Wäre der Kurzschluss einachsig, wie bei den obigen Einphasenmotoren, so würde
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Ankerfeld auftreten. Selbst wenn man annimmt, der Motor sei so gewickelt, dass die Achsen der Statorspulen, wie in der gezeichneten Stellung, nicht mit den Bürsten zusammenfallen, d. h. mit kurzen Spulen, so wird doch das Feld in jeder Bürstenstellung durch die Kurzschlussströme der Bürsten aufgehoben.
Das Feld im Rotor müsste nämlich dann abwechselnd den durch die drei innerhalb des Rotors eingezeichneten, ein Dreieck bildenden Pfeile, markierten Verlauf haben und würde in den einzelnen Hälften der Kurzschlussstromkreise Spannungen verschiedener Phasen erzeugen, die ihrer Phase nach durch die ausserhalb des Rotors gezeichneten kleinen Pfeile angedeutet sind. Dieselben setzen sich dann immer zu Komponenten zusammen, die in Richtung des Kurzschlusses zwischen je zwei Bürsten liegen und den Anker in sämtlichen Richtungen kurzschliessen bzw. das Rotorfeld vernichten, so dass der Anker sich ebenso verhält wie der Kurzschlussanker eines Induktionsmotors und ein Ankerfeld im Stillstande nicht auftreten kann.
Bei dem vorliegenden Motor soll nun eine ganz ähnliche Wirkung zunächst erzielt werden wie beim Einphasenrepulsionsmotor, und zwar dadurch, dass der Anker im zweipoligen Schema als Sehnenwicklung gewickelt und durch paarweise verbundene Bürsten der Phasenzahl entsprechend verschiedenachsig, aber nur teilweise kurzgeschlossen wird.
1 Fig. 4 zeigt eine Anordnung der Bürsten für das gleiche Schema, die hier dreiphasig, also zu drei Paaren in der x-, y-, z-Achse verbunden sind, und zwar so, dass ihr Abstand etwas kleiner ist, als dem Winkel zwischen den Phasen des Stators entsprechend.
Auch hier würde, wenn wir zunächst wieder für die Statorwicklung Dreiphasenwicklung mit kurzen, um zwei Drittel der Polteilung sich überlappenden Spulen annehmen, das vom Stator erzeugte Feld durch die im Dreieck angeordneten Vektoren dargestellt sein.
Es zeigt sich dann aber, dass die in den Kurzschlussstromkreisen x, y, z induzierten Ströme an den frei bleibenden Stellen ein durch die punktierten Pfeile markiertes Feld erzeugen müssen und dieses sich dem ursprünglichen, vom Stator erzeugten Felde so überlagert, dass innerhalb jedes Bürstenpaares sich ein einachsige, durch die ausgezogenen Pfeile markiertes Feld einstellt, genau so wie das einachsige Feld beim einphasigen Repulsionsmotor.
In der gezeichneten Nullstellung fliesst dabei zwischen den Bürsten nur ein schwacher Magnetisierungsstrom, welcher gerade ausreicht, das durch die punktierten Pfeile angedeutete Korrektionsfeld zu erzeugen.
Die Wirkung wird, wie gesagt war, dadurch erzielt, dass die Rotorwicklung als
Sehnenwicklung ausgeführt sein soll, so dass die Stromverteilung auf dem Rotorumfang sich aus der Überlagerung je zweier benachbarter Kurzschlussphasen ergibt.
Eine normale Trommelankerwicklung würde eine Stromverteilung geben, wie z. B. eine normale Drehstromwicklung in Sternverkettung, und gestattet nicht, eine ähnliche Wirkung zu erzielen. Die zu je einer Stromwindung gehörenden Windungshälften liegen dort, dem Durchmesserschritte 1800 im elektrischen Sinne entsprechend, immer auf je zwei diametralen Stellen des Umfanges. Würde man eine derartige Wicklung in ähnlicher Weise durch drei Bürstenpaare kurzschliessen, so bliebe, auch bei beliebig kleinem Abstande der Bürsten, der Rotor dort immer in drei verschiedenen Achsen in sich kurzgeschlossen, so dass ein grösseres Nutzfeld nicht auftreten kann.
Bei einer Sehnenwicklung hingegen liegen, z. B, bei einem Wicklungsschritte von zirka ein Drittel oder zwei Drittel des Umfanges, d. h. 120 im elektrischen Sinne, die zu je einer Kurzschlusswindung gehörenden Windungshälften so, dass sie sich mit denen je eines benachbarten Bürstenpaares zusammensetzen und den Rotor in Richtung dreier Sehnen kurzschliessen. Bei teilweisem Kurzschlusse, d. h. entsprechend kleinerem Abstande pro Bürstenpaar, kann sich hierbei das erläuterte Korrektionsfeld ausbilden, so dass man bei Stillstand des Rotors ein pro Phase einachsig und senkrecht zur betreffenden Kurzschlusssehne schwingendes Feld erhält.
Die Sehnenwicklung bewirkt, statt wie beim Einphasenmotor die normale Wicklung einen pro Polpaar einachsigen Kurzschluss, hier einen aus drei Phasen kombinierten und pro
Phase einachsig wirkenden Kurzschluss.
Prinzipiell könnte hierbei für den Stator jede bekannte Mehrphasenwicklung benutzt werden, beispielsweise auch die übliche Durchmesserwicklung für Dreiphasenstrom mit einem Winkel gleich ein Drittel der Polteilung zwischen den Achsen der Phasen. Nur müsste
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Besser ist es, den Phasenunterschied zwischen den aufeinanderfolgenden Phasen grösser zu wählen, beispielsweise wie in dem erläuterten Beispiele'mit verkürztem Wicklungsschritt zu 1200 oder durch Verkettungen in Sechs-oder Neunphasenschaltung zu 1500 bzw. 1600 u. dgl.
Fig. 5 zeigt die Bürstenverstellung im Anlaufe bzw. im Betriebe. Es gelten für alle weiteren diesbezüglichen Eigenschaften des Motors dieselben Gesichtspunkte wie für Einphasenrepulsionsmotoren. Die Bürsten können beispielsweise im ganzen verstellt werden, so dass die Fig. 4 in Fig. 5 übergeht, oder es können, wie beim Dérimotor für Einphasenstrom, die Bürsten b feststehen und die Bürsten bl allein verstellt werden. Ebenso können auch irgendwelche sonstwie für Einphasenmotoren bekannte Mittel benutzt werdzn.
In der Nähe des Synchronismus können die einzelnen Bürstenpaare untereinander verbunden werden,'so dass der Motor als einfacher Induktionsmotor arbeitet, eventuell über eine schwache Erregerspannung (Erregertransformator) e durch einen Schalter 1, wie in Fig. 5 der Klarheit halber nur für die eine Phase 3 bis 1 eingezeichnet ist, so dass der Motor als kompensierter Induktionsmotor arbeitet.
Die Bürsten können auch, anstatt kurzgeschlossen zu sein, über eine schwache Erregerspannung e, 1 in sich geschlossen sein, so dass bereits beim Betrieb als Repulsionsmotor von einer gewissen Tourenzahl an Kompensierung eintritt, wie in Fig. 5 z. B. der Klarheit halber nur für die Phase 2 eingezeichnet ist.
Ebenso können durch entsprechende Schaltungen-dieselben Wirkungen erzielt werden, wie bei den verschiedenen Arten von Einphasenmotoren mit zweiachsigen Bürstensätzen.
Fig. 6 zeigt z. B, einen derartigen mehrphasigen Repulsionsmotor mit besonderen Erregerbürsten b, b, b, die an einen primär verbundenen Nebenschlusstransformator'T so angeschlossen sind, dass durch Einstellung der Erregerspannung die Tourenzahl geregelt oder nach Belieben unter-oder übersynchron fest eingestellt werden kann.
Fig. 7 zeigt eine ähnliche Anordnung-mit pro Phase zwei parallelen Bürstensätzen, wobei die äusseren gleichzeitig als Erregerbürsten benutzt sind. Dieselben sind hier in entsprechender Weise in Serie zum Primärstrome angeschlossen und der Motor erhält die gleichen Eigenschaften, wie die bekannten Einphasenmotoren nach Winter-Eichberg und Latour.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung mit pro Phase zwei parallelen Bürstensätzen, wobei die äusseren als Arbeitsbürsten dienen und an einen regelbaren Nebenschlusstransformator T angeschlossen sind, während die Kurzschlussachsen als Erregerachsen dienen.
Fig. 9 zeigt eine analoge Anordnung, wobei die Arbeitsbürsten B, B, B durch den Transformator T in Serie zum Primärstrome angeschlossen sind. Der Transformator ist hierbei durch eine dritte Wicklung an die benachbarten Phasen so angeschlossen, dass in den kurz geschlossenen Erregerbürsten ein selbsttätig sich regelnder Strom induziert wird und der Motor, ähnlich wie nach Fig. 7, Seriencharakter erhält.
Die Anordnungen nach Fig. 6 und 7 bzw. Fig. 8 und 9 können auch gleichzeitig benutzt werden, insbesondere die letzteren zwei, wobei der betreffende Motor nach Belieben Nebenschluss oder Kompoundcharakter erhalten kann.
Schaltungen nach Fig. 6 und 7 eignen sich besonders für untersynchronen, nach Fig. 8 und 9 besonders für übersynchronen Betrieb, ähnlich wie dieses auch bei den entsprechenden Einphasenmotoren der Fall ist.
Fig. 10 und Ir schliesslich zeigen, dass es auch möglich ist, grössere Phasendifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Phasen'durch Verkettung im Motor selbst zu erzielen und hierdurch das erforderliche Korrektionsfeld zu reduzieren.
Der Wicklungsschritt in Fig. 10 sei ein Zwölftel des Umfanges und die Statorwicklung an zwölf Stellen aufgeschnitten. Verkettet man dann die einzelnen Sektionen in der aus Fig. II ersichtlichen Weise, so erhält man eine Sechsphasenschaltung und zwischen den benachbarten Phasen die durch die in Fig. Ir Z. Bi für Sektion 9 und 10 eingezeichneten Pfeile dargestellte Differenz von 1500. Der Wert des punktiert gezeichneten Korrektionsfeldes fällt hierbei auf die Hälfte desjenigen bei Dreiphasenschaltung, während die Klemmen 1, II, III hier wie dort direkt an Dreiphasenstrom angeschlossen werden können.
Die Windungszahlen wird man hierbei immer zweckmässig so wählen, dass die Amperewindungen pro Phase ungefähr die gleichen werden, Desgleichen könnte man den Dreiphasenstrom auch in neun Phasen zerlegen, ohne die Zerlegung in Transformatoren vor-
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nehmen zu brauchen. Wie aber schon an Hand der Fig. 4 erläutert wurde, übt selbst bei dleiphasiger Schaltung mit verkürztem Wicklungsschritt das sich selbsttätig einstellende Korrektionsglied keine sehr schädlich fühlbare Wirkung aus.
Die Erfindung bezieht sich somit auf Mehrphasenkollektormotoren mit verkürztem Wicklungsschritt auf dem Rotor und besteht darin, Anlaufmomente zu erzeugen, wie bei Einphasenrepulsionsmotoren. Dies sind Motoren, bei welchen der Wicklungsschritt, auf ein zweipoliges Schema bezogen, nicht dem Durchmesser, sondern einer Sehne zum Kreise entspricht. Die Statorspulen'sind dann zweckmässigerweise so zu wickeln, dass ihre Stromwindungen sich in ähnlicher oder gleicher Weise zusammensetzen oder überlappen, wie die des Rotors, und erzeugen zunächst bei Stillstand des Motors kein Drehfeld, sondern ein pro Statorspule unter zwei verschiedenen Phasen schwingendes Feld.
In gleicher Weise, wie hier beschrieben, lassen die Motoren sich natürlich auch als Generatoren benutzen.
Bei den beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen ist der Winkel zwischen den Bürsten eines Bürstenpaares kleiner gewählt als der Winkel zwischen zwei benachbarten Phasen der Statorwicklung. Dieser Winkel zwischen den Bürsten kann aber auch grösser gewählt werden. In diesem Falle zeigt der Motor, ohne dass es nötig ist, dem Rotor irgendwelchen Erregerstrom von aussen zuzuführen, eine selbsttätig sich einstellende Kompensierung der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Die Wirkung ist vollkommen regelbar, so dass man durch Vergrösserung des Winkels zunächst Kompensierung und, wenn man weiter geht, Überkompensierung erzielt.
Die Erscheinung ist als innere Kompensierung zu bezeichnen. Sie findet ihre Erklärung in der teilweisen Überlappung der einzelnen Statorphasen durch die pro Bürstenpaar kurzgeschlossenen breiteren Rotorsektoren, welche sich einem Teile der benachbarten
Statorphasen mit überlagern und diesen eine aus den beiderseitigen Phasendifferenzen resultierende, um C) o" verschobene und von der Breite der Überlappung abhängende Magnetisierungskomponente aufdrücken.
Es handelt sich deshalb um eine Eigenschaft, die auch nur diesem Mehrphasenmotor spezifisch eigen ist. Beim Einphasenmotor z. B. ist eine ähnliche Wirkung von vornherein prinzipiell ausgeschlossen, weil man dort durch irgendwelche denkbare Anordnungen immer nur Überlagerungen von Strömen von o oder 1800 erzielen könnte, die sich addieren oder subtrahieren, aber niemals sich zu einer Magnetisierungskomponente zusammensetzen würden.
Die Wirkung stellt sich vollkommen selbsttätig ein bei der Anordnung mit festen undverstellbaren Bürsten, die bei der Erläuterung der Fig. 5 erwähnt war. Verändert man dabei auch die Lage der festen Bürsten, so lässt sich hierdurch weiter die Kompensierung
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der Leistungsfaktor genau 1, wird.
Bei jener Anordnung würden in dem dort gezeichneten zweipoligen Schema zunächst in der Ruhestellung des Rotors die festen und beweglichen Bürsten pro Bürstenpaar zusammenfallen oder nur um einen kleineren Winkel auseinander liegen. Beim Anlassen werden die beweglichen Bürsten verstellt. Dann tritt eine Bürstenstellung ein, in welcher die beweglichen Bürsten mit den festen Bürsten des benachbarten Bürstenpaares- zusammen- fallen ; dabei geht der Motor jedoch nicht durch, sondern nimmt die Eigenschaften eines Drehfeldmotors an. Verstellt man die beweglichen Bürsten noch weiter, so dass die verschiedenen Bürstenpaare sich überkreuzen, so stellt sich die oben geschilderte innere Kompensierung ein.
Die Tourenzahl schliesslich, bei welcher eine. gewisse Kompensierung eintritt, lässt sich in bestimmten Grenzen wählen, wenn man die Lage der festen Bürsten nicht in der Nullstellung, sondern in einer hierzu verschobenen Stellung wählt bzwi auch diese verstellt.
Im zweipoligen Schema bedingt die grössere Bürstenverstellung ein gegenseitiges Überkreuzen der verschiedenen Bülstenpaare. Bei mehrpoligen Motoren, bei denen nur äquipotentiale Lagen in Frage kommen, lässt sich dieses natürlich durch entsprechende Verteilung über den Umfang und Fortlassen eines Teiles der Bürstenpaare vermeiden, wobei der Rotor mit Serienwicklung oder Parallelwicklung mit der Polzahl entsprechenden Äqui- potential-Mordeyverbindungen ausgeführt sein kann.
Andrerseits könnten Motoren, wo die Anlaufbedingungen keine grössere Bedeutung haben, der Einfachheit halber, mit einem konstant bleibenden grösseren Winkel zwischen den Bürsten der einzelnen Bürstenpaare ausgeführt sein. Geschieht in diesem Falle das Anlassen durch gleichmässige Verstellung des ganzen Bürstensatzes, so zeigt der Versuch, dass der Motor zwar unter sehr ungünstigen Bedingungen anläuft, die jedoch für Anläufe ohne oder mit geringer Belastung ausreichend sind.
Es ist weiter oben erwähnt, dass die Motoren auch als Generatoren benutzt werden können. Für Generatoren bietet nun ganz besonders die geschilderte innere Kompensierung
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nach dem vorliegenden Verfahren grosse Vorteile. Ein Generator kann in der geschilderten Weise als in sich selbsterregend ausgeführt werden oder, wenn man seinem Rotor ausserdem von den Statorphasen noch einen Erregerstrom zuführt, als in sich selbst kompoundierend. Dabei können die Bürsten in konstanter Stellung stehen bleiben. Oder es können durch Bürstenverstellung verschiedene Wirkungen erzielt werden, z.
B. durch Änderung des Winkels zwischen den Bürsten pro Bürstenpaar, Änderung der Selbsterregung, Spannung oder Kompoundierung, durch Änderung zwischen den Achsen der Bürstenpaare und dem Winkel zwischen diesen und den Statorphasen, Änderung der bei einer gewissen Tourenzahl des Generators erzeugten Frequenz u. dgl.
PATENT-ANSPRÜCHE : I. Mehrphasenkollektormaschine, gekennzeichnet durch paarweise, der Phasenzahl entsprechend verschiedenachsig kurzgeschlossene oder durch Stromkreise niederer Spannung verbundene Bürsten auf dem Kommutator, die an Stellen, bzw. äquipotentialen Stellen. des Kommutators aufliegen, deren Abstand, auf dem Kommutatorumfang gemessen, verschieden ist von dem Winkel zwischen den Achsen der verschiedenen Phasen der Statorwicklung, und wobei die Rotorwicklung im zweipoligen Schema eine Sehnenwicklung darstellt.