Wechselstromkommutatormaschine. Die Erfindung bezieht sich auf eine Wechselstromkommutatormaschine, die ein- oder mehrphasig ausgebildet sein kann und insbesondere als Bahnmotor für Industrie frequenz (in Deutschland, 50 Hz, in U. S. A. GO Hz) verwendbar ist. Gerichtet ist die Er findung darauf, die mit der Transformator spannung verknüpften Störungen oder Nach teile (Bürstenfeuer) zu vermeiden. Das ist in besonderem Masse von Wichtigkeit für solche Maschinen, wie Bahnmotoren, bei denen im Anzug das Feld stärker als im Lauf ist.
In Sonderheit verfolgt die Erfindung das Ziel, zu vermeiden, dass zwar einerseits die Trans formatorspannung erfolgreich bekämpft und damit eine Steigerung des Flusses bezw. der Frequenz ermöglicht wird, anderseits aber durch die hierfür angewendeten Mittel eine schädliche Beeinflussung der Stromwendung bezw. der Stromwendespannung eintritt.
Gemäss der Erfindung wird bei einer Wechselstromkommutatormaschine, deren als Schleifenwicklung ausgebildete Ankerwick- lung an jeweils durch Blindlamellen ge trennte Hauptlamellen angeschlossen ist und deren Spannungsanschlüsse zu je zwei in ein und derselben Kommutierungszone liegende und durch eine Impedanz miteinander ver bundene Bürsten geführt sind, diese Impe danz veränderlich ausgebildet, zum Zweck, sie im Anlauf der Maschine mit einem wesentlich grösseren Wert als im Lauf arbei ten zu lassen, wobei ferner ein hinsichtlich seiner Wirkung von der Drehzahl der Ma schine abhängiges Mittel vorgesehen ist, wel ches im Lauf der Maschine der Transforma torspannung entgegenwirkt.
Die zur Erleichterung der Kommutierung zwischen den Bürsten vorgesehene Impedanz (Kommutierungswiderstand) ist somit beim Erfindungsgegenstand lediglich im Anlauf der Maschine gegen die Transformatorspannung wirksam. Im Lauf dagegen, wo dieser Wider stand mit Rücksicht auf die Stromwendung <I>c</I> h wäre, kann er auf einen für die <I>s</I> 'hädlie Stromwendung günstigen Wert gebracht wer- den, so dass letztere nicht gestört wird.
Da für ist nun aber im Lauf der Maschine ein anderes der Transformatorspannung ent gegenwirkendes Mittel, das drehzahlabhängig ist, vorgesehen. Ein derartiges Mittel sind zum Beispiel die an sich bekannten Wende- pole oder aber die Flussabdrängung.
Letztere lässt sich dadurch erzielen, dass durch eine be stimmte, weiter unten näher erläuterte Aus bildung und Anordnung der Bürsten dafür Sorge getragen wird, dass bei der Kommutie rung niemals der gesamte Erregerkraftfluss durch diese Bürsten kurzgeschlossen wird, sondern immer nur ein Teil desselben, so dass sich eine Flussverlagerung aus dem von dem kurzgeschlossenen Stromweg umfassten Fluss weg auf einen andern nicht gleichzeitig von einem Kurzschlusskreis umfassten Flussweg vollziehen kann.
Zur näheren Erläuterung des Erfindungs gedankens sind in den Fig. 1 bis 12 Ausfüh rungsbeispiele dargestellt. Die Fig. 1 und 2 stellen Abwicklungen von einfachen Schleifenwicklungen über eine doppelte Polteilung einer Maschine dar. Die Fig. 1 unterscheidet sich von der Fig. 2 durch die Lamellenzahl. Die Wicklungen be stehen immer aus ,j-# einer Windung pro Schleife. d. h. je einer Halbschleife pro kom mutierendem Wicklungselement. :111f ,jeder Seite des Ankers ist je ein Kommutator an die Wicklungen angeschlossen, und zwar ist bei beiden Figuren jede Halbschleife bezw. jeder Stab auf jeder Seite mit einer Halblamelle verbunden. Auf dem einen Kommutator tra gen die Hauptlamellen ungeradzahlige Num mern, auf dem andern Kommutator dagegen geradzahlige Nummern.
Zwischen den Haupt lamellen ist je eine Blindlamelle, die nicht an die Wicklung angeschlossen ist, angeordnet. Die Blindlamellen bestehen zweckmässig aus Kupfer, können jedoch auch aus anderem Material, zum Beispiel Isolationsmaterial hergestellt sein, sofern die Abnutzungseigen schaften 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 zwei Hauptlamellen berühren.
Die gleichnamigen Bürsten der bei den Kommutatoren (hier die Bürsten 4 und 6 bezw. 5 und 7) sollen gemäss der Erfindung über Kommutierungswiderstände (Impedan zen) verbunden sein. Die Stellungen dieser Bürsten sind alle gleich, das heisst auch rela tiv gleich gegenüber der Lage der neutralen Zone.
Diese elektrisch gleiche Lage ist auch dadurch gekennzeichnet, dass zum gleichen Zeitpunkt eine Bürste eines Kommutators gerade auf einer mit der Mitte einer Schleife verbundenen Hauptlamelle steht (ohne dabei die beiden benachbarten Blindlamellen zu be rühren) und die zugehörige gleichnamige Bürste des andern Kommutators gerade auf derjenigen Blindlamelle steht, welche zwi schen den mit beiden Enden derselben Schleife verbundenen Hauptlamellen sieh be findet (wiederum ohne dabei die beiden be nachbarten Hauptlamellen zu berühren).
Zum Beispiel steht in Fig. 1 die Bürste 4 gerade auf der mit dem Mittelpunkt der Schleife 8 verbundenen Hauptlamelle und die zugehö rige 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 ge rade auf der Hauptlamelle 19, die mit dem Mittelpunkt der Schleife 9 verbunden ist, während die Bürste 7 auf der Blindlamelle 19 steht, die zwischen dem mit den Endpunk ten der Schleife 9 verbundenen Hauptlamel len 18 und 20 liegen. Die Fig. 2 ist hierin analog.
In Fig. 1 ist die Zahl der Haupt lamellen gleich der Zahl der Blindlamellen gleich einer geraden Zahl pro Kommutator gewählt, nämlich gleich 12. Die Abstände be nachbarter Bürsten eines Kommutators sind alle gleich gewählt, und zwar ist die Bürsten teilung gleich der Polteilung (zp), bezogen auf deii Kommutator.
In Fig. 2 ist zum ITntersebied von dem vorhergehenden Beispiel die Zahl der Haupt lamellen gleich der Zahl der Blindlamellen gleich einer ungeraden Zahl pro Kommuta- tor gewählt, nämlich hier gleich 1l.. Die Bürstenteilung ist wieder symmetrisch, näm lich gleich der Polteilung (zp).
Den dargestellten Ausführungsbeispielen ist nun das Merkmal gemeinsam, dass zwi schen gleichnamigen Bürsten verschiedener Kommutatoren die Transformatorspannung in Erscheinung tritt, also zwischen den Bürsten 4 und 6 bezw. 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 zu gehörigen Bürsten. Es ist daher die Möglich keit gegeben, die Transformatorspannung durch ruhende, veränderbare Widerstände (Impedanzen) zu überbrücken. Diese Wider stände müssen zwischen den zugehörigen Bürsten wirksam sein. Sie sind im Anlauf mit Rücksicht auf die Transformatorspan nung gross, im Lauf mit Rücksicht auf die Stromwendespannung klein bezw. gleich Null.
Die Regelung der Impedanzen kann dabei von Hand vor sich gehen oder aber selbsttätig, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Drehzahl bezw. von der Stellung des die Maschine steuernden Kontrollers erfolgen.
Was die Anordnung der Impedanzen selbst anbetrifft, so werden diese vorzugs weise nicht in die Maschine eingebaut, son dern getrennt von dieser angeordnet. Einge baute Kommutierungswiderstände würden die Baulänge, den Preis und das Gewicht der Maschine vergrössern. Diese Nachteile ver meidet die separate Anordnung der Wider stände, was besonders für den Bahnbetrieb von Wichtigkeit ist. Hinzu kommt, dass ein gebaute Widerstände die Erwärmung be nachbarter Maschinenteile (Läuferwicklung und besonders Kommutator) zusätzlich er höhen. Also auch mit Rücksicht darauf wirkt sich die getrennte Anordnung der Kommu tierungswiderstände in einer Verkleinerung der Grösse und des Gewichtes der Maschine aus.
Von Wichtigkeit ist ferner der Umstand, dass getrennte Widerstände leicht gekühlt werden können, zum Beispiel auch künstlich. Auf der Lokomotive können zum. Beispiel auch die Widerstände ausserhalb angeordnet werden, wo der Fahrtwind zur Kühlung her angezogen werden kann, bezw. sie können durch die Lokomotivlüfter mitgekühlt wer den und dergleichen. Unter Umständen kann man sie auch zur Raumheizung heranziehen.
Die Zwischen den Bürsten liegenden Im pedanzen bilden gewissermassen Verzwei gungen, über die die Stromzufuhr zur Ma schine erfolgt. Solche Verzweigungen sind in den Fig. 3 bis 9 durch Ausführungsbeispiele veranschaulicht.
In Fig. 3 erfolgt die Speisung eines Bahn motors von einem nicht gezeichneten Fahr draht aus mit Hilfe des Lokomotivtransfor- mators 17. Die Maschine hat die beiden Kom mutatoren 2 und 3, auf denen die Bürsten 4 bis 7 schleifen. An den Lokomotivtransfor- mator sind die zusammengehörigen Bürsten 4 und 6 über die regelbaren Impedanzen 12 bezw. 14 angeschlossen. Die zu den Bürsten 4, 6 gehörigen ungleichnamigen Bürsten 5 und 7 stehen über die regelbaren Impedanzen 13 bezw. 15 mit der Erde in Verbindung. Die Transformatorspannung zwischen den Bür sten 4 und 6 bezw. 5 und 7 ist jetzt auf die in Reihe liegenden Impedanzen 12 und 14 bezw. 13 und 15 geschaltet.
In den Zuleitun gen bis zu den Verzweigungspunkten der Widerstände liegen keine Impedanzen.
In den Fig. 4 bis 9 sind Ausführungsbei spiele für den Fall dargestellt, dass die Über brückungswiderstände als Widerstandsver zweigungen ausgebildet sind. Mit 26 ist stets die Zuleitung bezeichnet, in die kein Wider stand eingeschaltet ist. Es sind nur zwei zu sammengehörige Bürsten 4 und 6 herausge griffen.
In Fig. 4 sind Widerstände in beide Zuleitungen zu den Bürsten, in Fig. 5 nur in die Zuleitung zu einer einzigen Bürste, bei spielsweise in die Zuleitung zu der Bürste 4 geschaltet. Fig. 6 zeigt die Verwendung regel barer Ohmscher Widerstände; Fig. 7 die Ver wendung zweier induktiver regelbarer Wider stände; Fig. 8 die Verwendung eines regel baren Stromteilers.
Die beiden Spulen liegen hier auf demselben Eisenkern, und zwar der art, dass die Transformatorspannung einen möglichst hohen induktiven Widerstand fin det, während bei Verzweigungen des Stromes der Widerstand für den Betriebsstrom mög lichst klein ist; Fig. 9 zeigt die Reihenschal tung von induktiven und Ohmschen regel baren Widerständen. An Stelle der Reihen schaltung von induktiven und Ohmschem Widerstand kann in andern Fällen eine Parallelschaltung zweckmässig sein. Die Fig. 4 bis 9 sollen keine erschöpfenden Dar stellungen 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 Schaltarbeit der Bür sten parallel schalten. Es besteht die Möglich keit, mehrere Verzweigungen zu einer ein zigen zusammenzufassen. Man kann auch mit nur zwei Widerstandsverzweigungen für eine Maschine auskommen, indem man alle gleich namigen Bürsten gleicher Kommutatoren parallel schaltet.
Fig. 10 zeigt eine Anordnung für eine Maschine mit zwei Kommutatoren, 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 Haupt lamellen überein. Die beiden Teilbürsten (4a. und 4b bezw. 5a und 5b) sind durch einen Widerstand, insbesondere eine Stromteiler drossel (27 bezw. 28) miteinander verbunden. Der Strom wird der Drossel in ihrer Mitte zu geführt bezw. abgenommen.
Sie ist so aus gebildet, dass sich die Durchflutungen der Zweige 27a und 27b bezw. 28a und 28b für den Betriebsstrom aufheben, während sie für den von der Transformatorspannung, die in diesem Fall zwischen den Teilbürsten besteht, herrührenden Strom als Drosselspule wirkt.
Fig. 11 zeigt eine Anordnung, die die Verwendung eines einzigen Kommutators er möglicht. Es sind wiederum Blindlamellen vorgesehen, aber hier doppelt so viel als Hauptlamellen, und zwar je zwei zwischen zwei Hauptlamellen. Die Bürsten erhalten hier eine Breite, die nicht grösser ist als die Summe der Breite zweier Blindlamellen und dreier Isolationsstege. Die Bürste einer Pola rität ist in zwei Teilbürsten aufgeteilt, die durch einen regelbaren Kommutierungswider stand, der als Widerstandsverzweigung dient, überbrückt sind. Der lichte Abstand der bei den 'Peilbürsten soll nicht kleiner sein als die Breite einer Blindlamelle.
In besonderen Fäl len kann man die Breite der Blindlamelle kleiner wählen als die Breite der Haupt lamelle und dadurch ein Zusammenrücken der beiden Teilbürsten ermöglichen. Zwischen den beiden Teilbürsten wird vorzugsweise eine isolierende Schicht angeordnet, so dass die beiden Teilbürsten zusammen mit der Schicht zu einer einzigen Bürste zusammen gefasst werden können. Die Anordnung der Fig. 11 unterscheidet sich aber grundsätzlich von der durch Fig. 10 dargestellten Anord nung.
In Fig. 11 nämlich wird der Abstand von den beiden Teilbürsten so gewählt, dass stets ein Stromübergang des Betriebsstromes zur Wicklung möglich ist, und zwar bei allen Stellungen des Kommutators, das heisst so, dass zu keinem Zeitpunkt beide Bürsten keine Hauptlamellen berühren. Im Gegensatz hier zu sind die Abstände der beiden Teilbürsten in der Fig. 10 derart gewählt, dass auch sol che Bürstenstellungen vorkommen können, bei denen beide Teilbürsten keine Haupt lamellen berühren können.
Daraus ist ersicht lich, dass eine Bürstenanordnung nach Fig. 10 allein nicht geeignet wäre, um eine störungs freie Stromzufuhr zu ermöglichen Im Gegen satz hierzu kann bei Fig. 11 bei allen Stel lungen der Bürsten eine störungsfreie Zufuhr des Betriebsstromes erreicht werden. Mit Riicksicht auf die spezielle Bürstenbelastung durch den Betriebsstrom gibt es einen gün stigsten Abstand der beiden Teilbürsten von einander, der eine Grössenordnung hat, wie sie für Fig. 11 gewählt ist.
Fig. 12 zeigt eine Anordnung, welche die Verwendung eines einzigen Kommutators er- möglicht, wobei jedoch die Zahl der Blind lamellen gleich der Zahl der Hauptlamellen gewählt ist. Um dies zu ermöglichen. muss der Abstand der beiden Teilbürsten vonein ander vergrössert werden. Wenn man hier der Kürze halber von der Breite der Isolations stege absieht, so wird zweckmässig der lichte Abstand :der beiden Teilbürsten voneinander gleich der Summe der Breite einer Haupt lamelle und der Breite einer Blindlamelle ge macht und die Breite der Teilbürsten gleich der Breite einer Blindlamelle. Den Kommu tator kann man bei dieser Anordnung auch in zwei Kommutatoren auflösen, die auf der gleichen Wicklungsseite angeschlossen wer den und zweckmässig auf derselben Maschi nenseite liegen.
Da die Kommutierungswiderstände gegen die Transformatorspannung nur im Anlauf der Maschine wirksam sind, müssen. bei den dargestellten Ausführungsbeispielen zur Kompensierung der Transformatorspannung im Lauf, wie bereits erwähnt, entweder noch die an sich bekannten Wendefelder vorge sehen sein, oder aber die Maschine muss für Flussabdrängung ausgebildet sein. Flussab- drängung lässt sich zum Beispiel mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung erzielen.
Wie aus dieser Abbildung hervorgeht, ist durch Wahl der Haupt- und der Hilfslamellenzahl gleich einer ungeraden Zahl pro Polteilung und Anordnung der Bürsten in gleichmässigen Abständen erreicht, dass bei Kurzschluss von einzelnen Wicklungsteilen durch die Bürsten 4 und 6 bezw. 5 und 7 diese Wicklungsteile stets denselben Teilfluss umfassen. Wie sich aus der Fig. 2 ergibt, wird bei der gezeigten Stellung des Kommutators durch die Bürsten 4 und 6 ein dünn gezeichneter Stab, durch die Bürsten 5 und 7 dagegen ein spiegelbild lich liegender dick gezeichneter Stab kurz geschlossen.
Die Stäbe liegen somit unter ein ander benachbarten Hälften der zweipolig gedachten Maschine, das heisst bei Kurz schluss umfassen die Kurzschlusskreise ein und denselben Teil,des in den Polen erzeug ten und den Maschinenanker durchsetzenden Flusses. Der sich über die beiden andern Polhälften und den Anker schliessende Teil des Erregerkraftflusses wird somit von kei nem Kurzschlusskreis umfasst, und es besteht daher die Möglichkeit, den Fluss aus dem von den beiden Kurzschlusskreisen umgebenen Flussweg auf den andern gerade nicht von einem Kurzschlusskreis umgebenen Flussweg abzudrängen.
Dadurch bricht die Transfor matorspannung in dem Kurzschlusskreis zu sammen und ein störendes Bürstenfeuer ist auch im Lauf der Maschine vermieden.
Da im Anlauf der Maschine lediglich die Kommutierungswiderstände zur Kompensie- rung der Transformatorspannung wirksam sein sollen, kann dort die Flussabdrängung verhindert werden. Das lässt sich zum Bei spiel durch eine Verschiebung der Bürsten 5 und 7, und zwar um eine Lamellenbreite nach rechts oder links erreichen. Dann werden nämlich durch die Bürsten 4, 6 und 5, 7 je weils gleichsinnig gelagerte Stäbe (entweder zwei der dünn gezeichneten oder zwei der dick gezeichneten Stäbe) kurzgeschlossen, was bedeutet, dass von den beiden von den Polen der Maschine ausgehenden Teilflüssen der eine durch den einen Kurzschlusskreis und gleichzeitig der andere durch den andern Kurzschlusskreis umfasst wird.
Eine Fluss- abdrängung ist dann nicht mehr möglich.
Auch bei der Anordnung nach Fig. 1 lässt sich eine Flussabdrängung erzielen, wenn nämlich zum Beispiel die Bürsten 5 und 7 um eine Lamellenbreite nach links oder rechts verschoben werden. Dann liegen die beiden gleichzeitig angeschlossenen -Ankerstäbe wie der spiegelsymmetrisch zueinander, das heisst sie umfassen ein und denselben Teilfluss der zweipoligen Maschine. Durch Verändern der Bürstenabstände kann man also vom Zustand der Flussabdrängung übergehen in den Zu stand, in dem keine Flussabdrängung statt findet.