Wicklung für Kollektor-Anker. Die Kommutierungstheorie zeigt und die Erfahrung bestätig es, dass, abgesehen von dem Ausnahmefall einer geradlinigen Kom mutierung, bei welcher die Stromdichte unter der Bürste konstant ist, der an der Austritts kante einer Bürste unterbrochene Strom einen endlichen Wert besitzt, der in vielen Fällen (Unter-Kommutation) den gesamten, durch die betrachtete Bürstenreihe dem Kollektor zugeführten Strom überschreiten kann. Man sollte um nicht in der unter allen Umständen lentlich grossen Stromdichte an dieser <B>i</B> ausserorc Austrittskante ein Kriterium für gute Kom mutation suchen, da das Verhalten der Bür ste fast ausschliesslich von dem mehr oder weniger grossen Wert der durch die Stromun terbrechung frei werdenden Energie abhängt.
Nun lässt sich zeigen, dass der allgemeine Wert dieses Energieverlustes gleich ist dem halben Produkt aus dem unterbrochenen Strom und der Änderung des Flusses, wel che die Stromänderung in dem kommutieren den Wicklungselement begleitet.
Man kann daher die an der Austrittskante freiwerdende Energie beliebig klein machen, indem man diese Flussänderung entsprechend herabdrückt, zum Beispiel indem man neben dem kommutierenden Wicklungselement min destens einen in sich selbst (oder auf eine unabhängig von der Kommutierung be stimmte Potentialdifferenz) geschlossenen Stromkreis anbringt, der mit dein kommutie renden Wicklungselement magnetisch ver kettet ist, und zwar so, dass die Streuung zwischen den beiden Stromkreisen so klein als möglich ist.
Die scheinbare Selbstinduk tion des kommutierenden Wicklungselements wird dadurch von dem Wert L, den sie haben würde, wenn alle andern Stromkreise offen wären, auf den viel kleineren Wert der Streu-Induktion N = sL herabgesetzt, wo bei r der ssehn-Eschenburgsche Streukoeffi zient des Wicklungselements in bezug auf die andern in sich selbst geschlossenen Strom kreise ist im Falle voll zwei
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Stromkreisen), während die verlorene Ener gie von
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LJ2 auf herabgesetzt, also
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ebenso im Verhältnis r herabgesetzt wird.
Die sogenannte Kätiganker - Kommutie rung, bei welcher die Nutenzahl in bezug auf die Zahl der Bürsten in geeigneter Weise be grenzt wird, ist eine erste Lösung, welche für jedes Wicklungselement am Ende der Kommutierung das Vorhandensein eines an dern Wicklungselementes sichert, welches noch kurzgeschlossen ist und in den gleichen Nuten liegt, also praktisch mit dem gleichen Fluss verkettet ist und von dem man sagen kann, dass es in elektromagnetischer Hinsicht das erste Wicklungselement in Schein-Kurz schluss versetzt.
Eine gleichwertige Lösung würde darin bestehen, parallel zu dem kommutierenden Wicklungselement einen andern Stromkreis zu legen, der durch enge magnetische Ver kettung mit einem oder mehreren geschlosse nen Stromkreisen im Schein-Kurzschluss ge halten wird.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine Wicklung für Kollektor-Anker, bei welcher jedes Wicklungselement, das als letztes einer Nut aus dem Bürstenkurzschluss austritt, durch die Wirkung von unter anderen Polen liegenden, noch im Bürstenkurzschluss befind lichen Wicklungselementen faktisch kurzge schlossen ist.
Die Fig. 1 zeigt beispielsweise die An wendung der Erfindung auf den Fall eines Ankers mit Parallelwicklung, der Einfach heit halber Ringwicklung, bei welchem m die halbe Zahl der Parallelstromzweige der Wicklung, gerade ist und bei welchem die Nutenzah1 q ungerade ist. Die Zahl der Wicklungselemente pro Nut muss in diesem Fall durch 4 teilbar sein (wie unten anhand voll Fig. 5 ersichtlich).
In Fig. 1 sind zwei Wicklungszwe@ge übereinander dargestellt, und zwar so. dass Wicklungselemente gleicher Phase (gleicher Lage im Feld) übereinander liegen. Die Nu ten beider Zweige sind um eine halbe Nuten teilung gegeneinander in der Phase verscho ben, so dass die Anstrittskanten der beiden dargestellten Bürsten gleicher Art, nicht gleichzeitig die Kommutierung der Wick lungselemente einer Nut beendigen. Während also die Bürste B die Nut E verlässt, hat die Bürste B' noch nicht die Kommutierung aller Wicklungselemente der Nut F beendigt.
Von den Äquipotential-Verbindungen sind nur diejenigen (immer eine von zweien) bei behalten und in der Figur gestrichelt dar gestellt, welche die Summe der Spannungen zweier Wicklungselemente (c, d) in der Mitte einer Nut F des einen Zweiges mit der ange nähert gleich grossen Summe der Spannungen zweier Wicklungselemente a, b in zwei mit I% bleichliebenden Nuten D, l: des aildern Zweiges parallel schalten, so dass die Aus gleichströme in diesen Verbindungen ausser halb der Kommutierungszone vernachlässig- bar sind.
In der gezeichneten Stellung blei ben die Enden des Wicklungselementes a in dem Augenblick, wo die Kommutation in die sem Teil ihr Ende erreicht, an einen Strom kreis angeschlossen, der zusammengesetzt ist aus den Elementen b und d, die sich im Kurz schluss durch die Bürsten befinden, und aus dem Wicklungselement c, welches sich im Scheinkurzschluss befindet, weil das Wick lungselement d der gleichen Nut, das unge fähr denselben Fluss umfasst, selbst im Kurz schluss ist. Das Wicklungselement a ist dem nach über diesen abgezweigten Stromkreis faktisch ebenfalls kurzgeschlossen und ver hindert also jede Änderung des Flusses, der den verschiedenen Wicklungselementen der Nut E gemeinsam ist und folglich jeden plötzlichen Energieumsatz an der Austritts kante der Bürste B.
Die Fig. 2 und 3 beziehen sich auf den Fall, dass m, die halbe Zahl der Parallel stromzweige, durch 3 oder durch 5 teilbar ist. Die Nutenzahl q darf dann durch 3 oder 5 nicht teilbar sein, wohl aber darf sie durch
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oder
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teilbar sein und wenn dies der Fall ist, muss die Zahl der Wicklungselemente pro Nut durch 6 oder 10 teilbar sein, wie unten mit Bezug auf Fig. 6 ersichtlich sein wird. In Fig. 3 ist der Übersichtlichkeit wegen die Wicklung, abgesehen von der obern Ab- teilung, nicht bezeichnet, wodurch die Kollek torlamellen besser hervortreten.
Die notwendigen und ausreichenden Äqui- potentialverbindungen sind in Fig. 3 mit vol len Linien eingezeichnet, während die andern Verbindungen, die ohne Ausgleichströme möglich sind, gestrichelt dargestellt sind.
Die Fig. 4 zeigt für den Fall, dass m durch 3 teilbar ist, einen Abschnitt der Wick lung mit den Äquipotentialverbindungen; die an diesem Teil münden. Im allgemeinen ge nügt es, wenn die Nutenzahl q nicht durch m, die halbe Zahl der Parallelwicklungs zweige, teilbar ist, und wenn S, die Zahl der Wicklungselemente pro Nut, ein gerades Vielfaches ist des Quotienten, der erhalten wird, indem m durch den grössten gemein samen Teiler von m und q dividiert wird.
Unter der Voraussetzung eines am Anker umfang sinusförmig verteilten Feldes erhält man als Spannungsdiagramm, wenn man die Spannungen, die in den einzelnen längs der Wicklung aufeinander folgenden Wicklungs elementen induziert werden, in einem Linien zug aufträgt, offensichtlich ein regelmässiges gezacktes Polygon. In Fig. 5 ist dieses Span- unngsdiagramm dargestellt, für den Fall, dass m eine gerade Zahl und die Nutenzahl eine ungerade ist und in Fig. 6 für den Fall, dass m durch 3 teilbar und die Nutenzahl nicht durch 3 teilbar ist.
Die Seiten dieses Polygons, von denen jede die Spannung darstellt, welche in den in Reihe geschalteten Wicklungselementen einer Nut induziert wird, schneiden sich in Punk ten, welche äusserst nahe an den Teilpunkten dieser Seiten liegen, welche den Einzelspan- der Wicklungselemente entsprechen. Die Abweichung zwischen diesen Teilpunk ten, welche die an den Enden dieser Äqui- potentialverbindungen übrig bleibende Span nung darstellt, die in dieser Verbindung einen Ausgleichstrom hervorzurufen sucht, ist von zweiter Ordnung gegenüber der Winkelab weichung zwischen aufeinanderfolgenden Nu ten, das heisst sie ist dem Quadrat der Nuten zahl umgekehrt proportional.
Die Rechnung zeigt, dass mit mindestens 12 Nuten pro Pol der Ausgleichstrom selbst bei gewöhnlichen Kupferverbindungen schwach bleibt. Wenn man jedoch keine genügend grosse Nutenzahl anwenden kann, oder wenn das Feld nicht sinusförmig ist, zum Beispiel wenn Wende pole vorhanden sind, in welchem Fall das Diagramm der von den verschiedenen Wellen des Feldes induzierten Spannungen ein ge zacktes Polygon mit mehreren Umläufen bil det und mit umso stärkerer Krümmung je höher die Ordnungszahl der betrachteten Welle ist, dann wird man Verbindungen mit etwas erhöhtem Widerstand anwenden müssen.
Bei den bis jetzt beschriebenen Lösungen bildet die Hauptwicklung selbst mit den Äquipotentialverbindungen die geschlossenen Stromkreise mit ausgeglichenen Spannungen, durch welche der Kurzschlussstrom von einer Nut an die folgende weitergegeben wird. Diese Stromkreise können aber auch ganz oder teilweise von der Hauptwicklung ge trennt und zum Beispiel durch besondere Wicklungen gebildet werden, die in denselben Nuten wie die Hauptwicklung untergebracht sind.
In Fig. 7, die sich auf den Fall von m gerade und q ungerade bezieht, ist eine dieser Hilfswicklungen dargestellt, die beispiels weise am Grunde der Nuten angeordnet ist, und die in jeder der beiden Nuten E, halb so viel Windungen enthält, als in der Nut F, die diesen beiden Nuten diametral entgegen gesetzt ist.
Bisher war angenomnnen, dass die Ver kettung zwischen Wicklungselementen be steht, welche nacheinander unter Bürsten gleicher Art kommutieren. Man kann jedoch, ohne vom Grundgedanken der Erfindung ab zuweichen und indem man zum Beispiel Hilfswicklungcn der oben beschriebenen Art evrwendet, diese Verkettung auch zwischen Wicklungselementen herbeizuführen, die unter verschiedenartigen Bürsten kommu tieren, besonders wenn nur eine Bür stenreihe jeder Art vorhanden ist. Die Fig.
8 bezieht sich demgemäss auf den Fall eine: dreilihasi@en Ankers inil zwei Polen und zwanzig Nuten und stellt eine der Hilfs- wickzlungen dar, durch welche der Kurz schlussstrom einer Nut, in welcher die Kom mutation gerade endet, an zwei andere, noch in der Kommutation befindlielie Nuten wei tergegeben wird.
Die Zahl der Windungen n, deren Ver hältnis allein von Bedeutung ist, kann immer ziemlich hoch gewählt werden (23 und in dem oben erwähnten Fall), um den Span nungsausgleich beliebig vollkommen zu ma chen (in dem erwähnten Fall auf etwa 1 %0) und somit die durch ein sinusförmiges Feld induzierten Ausgleichströme zu unterdrücken.
Die Hilfswicklungen können untereinan der und mit der Hauptwicklung so vereinigt werden, dass die ganze Wicklung möglichst vereinfacht wird.
Winding for collector armature. The commutation theory shows and experience confirms it that, apart from the exceptional case of a linear commutation, in which the current density under the brush is constant, the current interrupted at the trailing edge of a brush has a finite value, which in many cases (sub Commutation) can exceed the total current supplied to the collector through the row of brushes under consideration. One should not look for a criterion for good communication in the under all circumstances occasionally high current density at this <B> i </B> extraorc trailing edge, since the behavior of the brush depends almost exclusively on the more or less high value of the Power interruption depends on the energy released.
It can now be shown that the general value of this energy loss is equal to half the product of the interrupted current and the change in the flow which accompanies the change in current in the commutating winding element.
The energy released at the trailing edge can therefore be made as small as desired by reducing this change in flux accordingly, for example by attaching at least one closed circuit next to the commutating winding element (or to a potential difference that is determined independently of the commutation), which is magnetically linked to your commuting winding element, in such a way that the spread between the two circuits is as small as possible.
The apparent self-induction of the commutating winding element is thereby reduced from the value L, which it would have if all other circuits were open, to the much smaller value of the leakage induction N = sL, where at r the Ssehn-Eschenburg scattering coefficient des The winding element in relation to the other self-contained circuits is two in the case of full
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Circuits), while the lost energy from
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LJ2 reduced to, so
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is also reduced in the ratio r.
The so-called Kätiganker commutation, in which the number of slots in relation to the number of brushes is limited in a suitable manner, is a first solution which ensures the presence of another winding element that is still short-circuited for each winding element at the end of the commutation and is located in the same slots, i.e. is linked to practically the same flux and which can be said to cause the first winding element to appear to be short-circuited in electromagnetic terms.
An equivalent solution would be to lay another circuit parallel to the commutating winding element, which is kept in a dummy short circuit by means of close magnetic interlinking with one or more closed circuits.
The invention now relates to a winding for collector armature, in which each winding element that emerges as the last of a slot from the brush short-circuit is actually short-circuited by the action of winding elements located under other poles, still in the brush short-circuit.
Fig. 1 shows, for example, the application of the invention to the case of an armature with parallel winding, the simplicity half ring winding, in which m is half the number of parallel branches of the winding, even and in which the number of slots q is odd. In this case, the number of winding elements per slot must be divisible by 4 (as can be seen in full from FIG. 5 below).
In Fig. 1, two winding branches are shown one above the other, as follows. that winding elements of the same phase (same position in the field) are on top of each other. The grooves of both branches are shifted by half a groove pitch against each other in the phase, so that the leading edges of the two brushes shown of the same type do not end the commutation of the winding elements of a groove at the same time. While the brush B is leaving the slot E, the brush B 'has not yet finished commutating all of the winding elements in the slot F.
Of the equipotential connections, only those (always one of two) are retained and shown in dashed lines in the figure, which approximate the sum of the voltages of two winding elements (c, d) in the middle of a slot F of one branch with the one Connect the large sum of the voltages of two winding elements a, b in two slots D, 1: of the other branch that remain unchanged with I% in parallel, so that the equalizing currents in these connections outside the commutation zone are negligible.
In the position shown ben the ends of the winding element a at the moment when the commutation reaches its end in this sem part, connected to a circuit that is composed of the elements b and d, which are short-circuited by the brushes are located, and from the winding element c, which is in the dummy short circuit, because the winding element d of the same groove, which includes approximately the same flow, is itself in the short circuit. The winding element a is in fact also short-circuited to the circuit branched off via this and thus prevents any change in the flux that is common to the various winding elements of the slot E and consequently any sudden energy conversion at the exit edge of the brush B.
2 and 3 relate to the case that m, half the number of parallel flow branches, is divisible by 3 or by 5. The number of slots q must then not be divisible by 3 or 5, but it can be by
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or
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be divisible and if this is the case, the number of winding elements per slot must be divisible by 6 or 10, as will be seen below with reference to FIG. 6. In FIG. 3, for the sake of clarity, the winding, apart from the upper division, is not designated, so that the collector lamellae stand out better.
The necessary and sufficient equipotential connections are shown in FIG. 3 with full lines, while the other connections that are possible without equalizing currents are shown in dashed lines.
Fig. 4 shows, in the event that m is divisible by 3, a portion of the winding with the equipotential connections; which flow into this part. In general, it is sufficient if the number of slots q is not divisible by m, half the number of parallel winding branches, and if S, the number of winding elements per slot, is an even multiple of the quotient that is obtained by dividing m by the greatest common divisor of m and q is divided.
Assuming a field distributed sinusoidally around the armature, the voltage diagram obtained is obviously a regular jagged polygon if the voltages that are induced in the individual winding elements following one another along the winding are plotted in one line. This voltage diagram is shown in FIG. 5 for the case that m is an even number and the number of slots is odd and in FIG. 6 for the case that m is divisible by 3 and the number of slots is not divisible by 3.
The sides of this polygon, each of which represents the voltage that is induced in the series-connected winding elements of a slot, intersect at points which are extremely close to the partial points of these sides which correspond to the individual span winding elements. The deviation between these subpoints, which represents the voltage remaining at the ends of these equipotential connections and which tries to produce an equalizing current in this connection, is of the second order compared to the angular deviation between successive grooves, i.e. it is the square the number of grooves is inversely proportional.
The calculation shows that with at least 12 slots per pole the equalizing current remains weak even with ordinary copper connections. However, if a sufficiently large number of grooves cannot be used, or if the field is not sinusoidal, for example if turning poles are present, in which case the diagram of the voltages induced by the various waves of the field forms a jagged polygon with several revolutions the greater the curvature, the higher the atomic number of the wave under consideration, then one will have to use connections with a slightly increased resistance.
In the solutions described up to now, the main winding itself with the equipotential connections forms the closed circuits with balanced voltages, through which the short-circuit current is passed on from one slot to the next. These circuits can also be wholly or partially separated from the main winding and formed, for example, by special windings that are housed in the same slots as the main winding.
In Fig. 7, which relates to the case of m even and q odd, one of these auxiliary windings is shown, the example is arranged at the bottom of the grooves, and contains half as many turns in each of the two grooves E, than in the groove F, which is diametrically opposed to these two grooves.
Previously it was assumed that the linkage is between winding elements which commutate one after the other under brushes of the same type. However, without deviating from the basic concept of the invention and by using, for example, auxiliary windings of the type described above, this linkage can also be brought about between winding elements that commu animals under different types of brushes, especially if only one row of brushes of each type is present. The fig.
8 accordingly relates to the case of one: dreilihasi @ en anchor inil two poles and twenty slots and represents one of the auxiliary windings through which the short-circuit current of a slot in which the comm mutation is just ending is passed to two others, still in the commutation located grooves is passed on.
The number of turns n, the ratio of which is only important, can always be selected to be quite high (23 and in the above-mentioned case) in order to make the tension equalization as perfect as desired (in the case mentioned to about 1% 0) and thus to suppress the equalizing currents induced by a sinusoidal field.
The auxiliary windings can be combined with one another and with the main winding in such a way that the whole winding is as simplified as possible.