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Wendepoleinl'ichtllng für Kollektoranker.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wendepoleinrichtung für Umformer gemäss dem Patente Nr. 91735. Die allgemein übliche Wendepolanlage genügt in allen Fällen, wo auf den Kollektoranker ein Aussenfeld induzierend einwirkt und wo in den magnetischen Kreis ein grösserer Luftspalt eingeschaltet ist. Das Ankerfeld selbst wird hiebei in den Kommutationszonen nicht nur vollständig unterdrückt, sondern auch ein zusätzliches, dem Ankerfeld stets entgegengesetztes Wendefeld erzeugt.
Der elektrische Widerstand der durch die Bürsten jeweilig kurz geschlossenen Ankerspulen ist zwar gering und können bei ungenauer Wendepolbemessung beträchtliche Ströme durch diese Ankerspulen fliessen, aber der magnetisierende Einfluss dieser stromdurchflossenen Spulen ist im Verhältnis zur Stärke des Aussenfeldes meist verschwindend klein. Diese Wendepoleinrichtungen versagen aber in allen jenen Fällen. wo das Ankerfeld selbst an Stelle des Aussenfeldes zur Induktionswirkung herangezogen wird. Damit das Ankerfeld sich in der gewünschten Stärke entwickle, muss der Luftspalt wie bei Asynchronmaschinen möglichst klein gehalten werden.
Dann können aber die oben erwähnten Kurzschlussströme infolgemangelhafter Kommutierung einen ganz bedeutenden störenden Einfluss auf die Wirkungsweise solcher Maschinen ausüben, abgesehen davon, dass der Wendepolkraftlinienfluss stets dem nützlichen Ankerfelde entgegen gerichtet ist und daher die Leistungsfähigkeit der Maschine bedeutend herabsetzt. Um in diesen Fällen das Ankerfeld in seiner vollen Stärke zu erhalten, lässt man die Wendepole nur auf die in Form von Windungen auf einem Hilfsanker verlegten Kollektorverbindungen einwirken. Bei Anordnungen dieser Art sind bisher pro Bürstenbolzen nur zwei induzierende Wendepole in Form einfacher Hufeisenmagnete verwendet worden.
Werden die Kollektorverbindungsleiter auf dem Hilfsankereisenkern in Form einer Ringwicklung untergebracht, so sind obige Wendepole ausreichend und jeder auf den Aussenflächen des Ankers liegender Leiter wird von einem Wendepol während der Kommutierung induziert. Die an der Innenfläche liegenden Leiter nehmen an der Induktion nicht teil. Die Pole haben die Aufgabe, zwischen den einzelnen Kollektorverbindungsleitern der Kommutierung günstige Spannungsdifferenzen zu erze ; lgen.
Verlegen wir aber die Kollektorverbindungsleiter in Form von einfachen Schleifen nur auf der Oberfläche oder in Nuten des Hilfsankereisens, so bleibt bei gleicher Wendepolzahl die Zahl der nützlich induktierten Leiter notwendig dieselbe wie vorher bei der Ringwicklnng ; der Hilfsanker muss praktisch eine bedeutende axiale Länge erhalten um eine genügende Wendepolwirkung zu erzielen.
Vorliegende Erfindung bezweckt nun, diese axiale Länge des Hilfsankers dadurch ganz wesentlich zu verldeinern, dass die Kollektorverbindungen am Hilfsanker in Form von Schleifen oder Wellen oder mehrerer durch Wellenschritt in Serie geschalteter Schleifen nur an der Oberfläche des Hilfsankers in Nuten mit einem Wicklungsschritte verlegt sind, der grundsätzlich einer Wendepolteilung gleichkommt. und das so viele Wendepolpaare gleicher Polteilung mit gleichnamigen Polen aneinandergereiht sind, als Hilfsankernuten von einer Kollektorverbindung bewickelt sind. Die zu einer Kollektorverbindung gehörigen Spulenseiten der Hilfsankerwicklung kommen dann unter allen Umständen in dieselbe relative Lage zu ihren jeweilig zugeordneten Wendepolen und werden daher alle gleich nützlich induziert.
Gleichzeitig wird dem Wendefeld eine solche Feldkurve zugrunde gelegt, dass zwischen zwei unter der Bürste befindlichen Kollektorsegmenten stets dieselbe Spannungsdifferenz während der ganzen Kommutierungsdauer dynamisch induziert wird, was einer gleichmässigen Stromverteilung unter der Bürste entspricht. Wie sich leicht zeigen lässt, muss eine solche Feldkurve geradlinig ansteigen, wie Fig. 1
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für den einfachen Fall eines zweifachen Wendepolpaares darstellt. Die zugehörige Hilfsankerwicklung ist, wie Fig. 2 zeigt für jede Kollektorverbindung eine einfache Schleife (sie könnte auch aus mehreren Windungen bestehen), die in zwei Hilfsankemuten verlegt sind. Der Hilfsanker wird im allgemeinen zweckmässig mit so vielen Nuten versehen als der Kollektor Segmente hat.
Bei Serienwicklungen mit vermehrter Segmentzahl und bei mehrgängigen Serien-als auch Parallelwickll1ngen kann jedoch die Hilfsankernutenzahl entsprechend der Hauptankerwicklung reduziert werden. Der Wicklungsschritt ist gleich der Wendepolteilung. Letztere muss zwei Kollektorsegmentteilungen entsprechen, wenn die Bürste, wie in Fig. 2, nur ein Segment breit ist, um während der ganzen Kommutierungsdauer eine gleichgrosse Spannungsdifferenz zwischen den zwei kommutierenden Segmenten zu erzeugen.
Die geradlinig ansteigende Feldkurve kann auf verschiedene Weise erreicht werden. So sind beispielsweise in Fig. 2 und 4 die Wendepolschuhe derartig abgeschrägt, dass bei überall gleich grossem Luftspalte die gewünschte Feldkarve entsteht. Fig. 3 zeigt für dieselbe Hilfsankerwicklung wie in Fig. 2 die Stirnansicht einer anderen Polschuhform mit achsparallelen Polschuhkanten, wobei dem Luftspalt e eine entsptechende Form erteilt ist.
Auch bei dieser Wendepolanlage ist es jedoch angezeigt, das Hauptfeld in den Kommutationszonen durch Luftspalterweiterungen entsprechend zu schwächen, da selbe sonst unwirtschaftliche Dimensionen annehmen müsste.
Fig. 3 zeigt ausserdem die Schaltung einer Wendepolbewicklung. H ist die vom Bürstenstrome durchflossene Hauptstromwicklung und E eine zusätzliche Erregerwicklung, die von einem getrennten Stromkreise aus gespeist und geregelt werden kann, um die induzierende Wirkung der durch eine Luftspalterweiterung in den Kommutationzsonen nicht ganz unterdrückten Ankerfelder zu bekämpfen. Die Hauptstromwicklung H muss derart bemessen sein, dass sie der Gegenmagnetisierung der in den Nuten unter den Wendepolen verlegten stromdurchflossenen Kollektorverbindungen vollständig entgegengewirkt und darüber hinaus noch das für die reine Kommutierung nötige Wendefeld erzeugt. Die Zusatzwicklung B kann auch weggelassen werden.
Vorteilhafter als die einfache Schleifenwicklung ist die Wellenwicklung der Verbindungsleiter nach Fig. 4 Die zusätzliche Selbstinduktion der Verbindungsleiter, die die Kommutierungsreaktanzspannung des
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da ja die Selbstinduktion dem Quadrate der Windungszahl proportional ist. In Fig. 4 ist die Bürstenbreite gleich drei Segmentbreiten angenommen. Eine Kollektorverbindung liegt in drei Nuten, daher sind drei Wendepolpaare aneinandergereiht, deren Polteilung vier Segmentbreiten entspricht. Im allgemeinen muss die Wendepolteilung mindestens der um die Einheit vermehrten Kollektorbürstenbreite, gemessen in Segmentstärken, entsprechen. A stellt die Hauptankerwicklung, B die Hilfsankerwicklung der Kollektorverbindungen dar. Die induzierenden Wendepolflächen sind strichliert eingetragen.
Die Aneinanderreihung der abgeschrägten Wendepolpaare kann nach Fig. 2 oder nach Fig. 4 erfolgen.
Fig. 5 gibt den zu Fig. 4 gehörigen Verlauf der induzierten Segmentspannung wieder. Man sieht daraus, dass zwischen den beiden Bürstenkanten stets die grösste Potentialdifferenz besteht, die gegen die Mitte der Bürste gleichmässig abfällt, so dass wieder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Segmenten stets während der ganzen Kommutierungsdauer die gleiche Spannungsdifferenz e d induziert wird.
Für die meisten praktischen Fälle wird sich eine aus Schleifen und Wellen zusammengesetzte Hilfsankerwieklung, etwa nach Fig. 6 als die günstigste erweisen.
Diese Wendepolanlage ist für alle geschlossenen Gleichstromwicklungen anwendbar.
Fig. 7 gibt einen Konstruktionsentwurf für die allgemeine Anordnung wieder. Hiebei sind alle zu einem Bürstenbolzen gehörigen, aneinandergereihten Wendepolpaare beispielsweise von einer gemeinsamen Erregerspule j ?- (- E aus erregt. Bei der Befestigung der Wendepole am magnetisch leitenden Gehäuse ist darauf zu achten, dass dem Gehäuse stets dieselbe Polarität (in der Figur der Südpol s) zugekehrt werde, damit der magnetische Wendepolstreufluss möglichst gering wird. Besser aber teuer ist die Befestigung der Wendepole auf einem unmagnetischen Materiale.
Da bei mittleren Maschinen die Polteilung rund 16mal so breit ist als das kommutierende Bündel, ist die Kommutierungsdauer für eine Kollektorverbindung nur 1 einer halben Ankerummagnetisierungsperiode. Bei gleicher Erwärmung kann somit das Kupfer bzw. Leitungsmaterial der Verbindungsleiter \/16 = 4mal höher beansprucht werden als bei der Hauptankerwicklung. Dadurch wird nicht nur an Wicklungsraum für den Hilfsanker gespart, sondern es erhalten auch die Verbindungsleiter höhere Ohmsche Widerstände, welche grössere Kurzschlussströme unter den Bürsten auch bei unvollkommen wirkenden Wendepolen sicher vermeiden. Bei üblichen Drehstrom-Gleichstrom-Umformern ergibt die neue Wendepolanlage den Vorteil, dass sie das Hauptfeld wie das Wechselstromdrehfeld des Ankers in keiner Weise beeinflusst.
Bei Wechselstromkommutatormaschinen hingegen wird diese neue Wendepolanlage wegen des höheren Widerstandes der Kollektorverbindungen und deren Selbstinduktion zu hohe Kurzschlussströme unter den Bürsten auch beim Anlauf verhindern.
Indrktorisch wirksame Ankerfelder treten insbesondere bei Einanker-Drehfeldumformern auf und ist in Fig. 8 die vollständige Wendepolschaltung für die Gleichstromseite eines solchen Umformers wiedergegeben. Der Kollektoranker habe zwei um elektrisch 90 versetzte Gleichstrombürstensätze.
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Das induzierende Feld des Rotors ist durch die primäre Drehstromwicklung sinusförmig verteilt und steht im Raume still, wenn der bewickelte Rotor synchron gegen die Drehfeldrichtung rotiert.
Die Lage der
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Windungen laufen jedoch in den zugeordneten Luftspalterweiterungen 1, nu (Fig. 8), wo ein dem proportionales Luftfeld besteht und induzieren dynamisch eine der Kommutierung schädliche Spannung, die nur durch eine dem Felde proportionale Wendepolerregung kompensiert werden kann, was man am besten dadurch bewirkt, dass man die Wendepolzusatzerregerwicklung E in Fig. 8 in Nebenschluss zu den Y-Bürsten c, d schaltet. Das Analoge gilt nun aber auch von der Wendepolerregung der Y-Bürsten.
Durch richtige Bemessung der Nebenschluss- und Hauptschluss-Wendepolwicklungen und Schaltung nach Fig. 8 kann somit erreicht werden, dass die Wendepole für jede Lage des Drehfeldes, somit auch für jede Stellung des Bürstenkreuzes richtig erregt sind und ein funkenfreies Arbeiten des Kollektors sichern.
Dies gilt jedoch nicht nur für ein stehendes sinusförmiges Drehfeld, sondern auch für jedes beliebige annähernd sinusförmige, durch Feldwicklung von aussen erregte Feld und in noch grösserem Masse für Gleichstromankerfelder, die vom Bürstenkreuz selbst aus erregt werden, wie etwa bei Gleichstromumformen ohne Aussenfeld mit zueinander elektrisch senkrecht stehenden Bürstensätzen nach Déri oder wie bei der Querfeldmaschine für konstanten Strom nach Rosenberg. Das Entstehen von störenden Kurzschlussströmen unter den Bürsten ist hiemit ganz vermieden und arbeiten solche Maschinen dann ganz zuverlässig.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Wendepoleinrichtung für Umformer gemäss Patent Nr. 91735 mit auf einem Hilfsankereisenkern in Form einer Trommelwicklung verlegten Verbindungsleitern zwischen der Gleichstromwicklung und dem Kollektor, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Wendepolpaare mit gleichnamigen Polen zweckmässig aneinandergereiht sind, wobei die Polteilung jedes Wendefeldpaares grundsätzlich dem Wicklungschritt der Hilfsankerwicklung gleich ist.