Zweistufige, durch Kaskadenschaltung zweier Gleichstromgeneratoren gebildete Verstärkermaschine Bei Verstärkermaschinen für Steuer- und Regel zwecke wird einerseits ein hoher Verstärkungsgrad für das Verhältnis der vom Generator abgegebenen Leistung zur Erregerleistung und anderseits eine kleine Zeitkonstante des Erregerkreises angestrebt. Der Quotient aus Verstärkung und Zeitkonstante wird als < Gütezahl bezeichnet. Die gewünschte Gütezahl ist mitbestimmend für die zu verwendende Typengrösse.
Die Erfindung bezieht sich auf eine zweistufige, durch Kaskadenschaltung zweier Gleichstromgenera toren gebildete Verstärkermaschine und hat die Aufgabe, die regeltechnischen Eigenschaften und die Ausnutzung einer solchen Maschine zu verbessern. Erfindungsgemäss ist die erste Verstärkerstufe zur Erreichung einer hohen, das heisst gegenüber nor malen Maschinen auf ein Vielfaches vergrösserten Gütezahl der gesamten Maschine bezüglich Erwär mung überdimensioniert. Ferner hat ihr Anker we nigstens angenähert den gleichen Durchmesser wie der Anker, der nur nach der Grösse der abzugebenden Leistung bemessenen zweiten Stufe.
Wird der Anker durchmesser der ersten Stufe gleich dem der zweiten Stufe gewählt und werden ferner die Aussendurch messer der beiden Stufen gleich gross bemessen, dann ergibt sich eine für die Fertigung der Verstärker maschine besonders günstige Lösung, die auch zu genügend grossen Gütezahlen führt. Weitere Vorteile bringt eine Ausführung eines aus einer solchen Ver- stärkermaschine und einem zugehörigen Antriebs motor bestehenden Aggregates, bei der der Läufer des Antriebsmotors auf dem einen Wellenende der Verstärkermaschine sitzt und zwischen den beiden Stufen der Kaskade .ein für die Verstärkermaschine und den Antriebsmotor gemeinsamer Lüfter ange ordnet ist.
Für die Berechnung der Gütezahl einer zwei stufigen Verstärkermaschine sind vor allem zwei Faktoren bestimmend, der Ankerdurchmesser der ersten Stufe und das Verhältnis der Zeitkonstante der ersten Stufe zu der der zweiten Stufe.
So vergrössert sich die Gütezahl nach einem be stimmten Gesetz mit zunehmendem Ankerdurchmes ser der ersten Stufe. Es ist deshalb an sich möglich, die Gütezahl beliebig gross zu machen, sofern der Ankerdurchmesser der Eingangsstufe genügend gross gewählt wird. Eine fertigungstechnisch günstige Aus führung, die auch zu genügend grossen Gütezahlen führt, ergibt sich, wenn der Ankerdurchmesser der ersten Stufe gleich dem der zweiten Stufe gewählt wird.
Um das Verhältnis der Zeitkonstante der ersten Stufe zu der der zweiten Stufe und damit die Güte zahl zu vergrössern, müsste die Zeitkonstante der ersten Stufe an sich möglichst gross sein. Anderseits soll aber für schnell ansprechende Verstärkermaschi- nen die Gesamtzeitkonstante möglichst klein sein.
Die Werte für die Gütezahlen der Verstärkermaschine in Abhängigkeit von dem Verhältnis der beiden Zeit konstanten liegen auf einer ansteigenden Kurve, die von einem Verhältnis 3:1 der Zeitkonstante der ersten Stufe zu der der zweiten Stufe an ziemlich flach verläuft, so dass eine weitere Vergrösserung des Ver hältnisses der beiden Zeitkonstanten keine nennens werte Steigerung der Gütezahl bringt.
Aus fertigungstechnischen Gründen ist es vorteil haft, nicht nur die Ankerdurchmesser, sondern auch die Aussendurchmesser der beiden Maschinen etwa gleich zu bemessen. In diesem Falle haben beide Maschinen auch den gleichen Wickelraum für die Polspule. Da in der Eingangsstufe besondere Wick lungen für Erreger- und Steuerzwecke vorgesehen werden müssen, bleibt für die Grunderregung nur ein entsprechend kleiner Wickelraum übrig, der etwa halb so gross ist wie der Wickelraum der Ausgangs stufe. Da die Zeitkonstante einer Erregerwicklung dem zur Verfügung stehenden Wickelraum etwa pro portional ist, kann die Zeitkonstante der Eingangs stufe bei gleichem Maschinenaussendurchmesser etwa halb so gross bemessen werden wie die der Aus gangsstufe.
Wegen der geringen Sättigung des Ein gangskreises wird sie etwas grösser sein, so dass das Verhältnis der beiden Zeitkonstanten etwa zwischen 1:2 und 1:1 liegt.
Bei Querfeldverstärkermaschinen ist man bei der Wahl der Spannung im Ankerkreis zwangläufig an niedrige Werte gebunden. Bei kleiner Steuererregung und kleiner Ausgangsspannung kann der immer .etwas schwankende Bürstenübergangswiderstand den Strom im Querkreis erheblich stören und damit eine Un stetigkeit der Verstärkung hervorrufen, insbesondere wenn er in die Grössenordnung Ohmscher Wider stände fällt.
Wird dagegen die Verstärkerwirkung durch Kaskadenschaltung zweier Gleichstromgenera toren gemäss der Erfindung erzielt, dann kann die Spannung an den Ankerklemmen unabhängig von der Ausgangsspannung so gross gewählt werden, dass der Einfluss des Bürstenübergangswiderstandes mög lichst ausgeschaltet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Sie zeigt den Längsschnitt einer Verstärkermaschine mit zugehörigem Antriebs motor.
Die Verstärkermaschine 1 besteht aus der Ein gangsstufe 2 und der Ausgangsstufe 3, die ein ge meinsames Gehäuse und eine gemeinsame Welle 5 haben. Der Anker 6 der Eingangsstufe 2 hat den Durchmesser dr und der Anker 7 der Ausgangsstufe 3 den Durchmesser dA. Der Aussendurchmesser der Eingangsstufe ist DE und der der Ausgangsstufe DA. Die Ankerlänge der Eingangsstufe ist h und die der Ausgangsstufe lA. Sowohl die Ankerdurchmesser dE und dA der beiden Stufen als auch die Aussendurch messer DE und DA sind gleich gross.
An dem einen Lagerschild 8 ist das Gehäuse 9 eines Antriebsmotors 10 angeflanscht, dessen Läufer 11 auf dem Wellen ende 12 der Verstärkermaschinenwelle fliegend sitzt. Das Ständergehäuse 9 des Antriebsmotors 10 hat Lufteintrittsöffnungen 13 und das Gehäuse 4 der Verstärkermaschine auf der dem Antriebsmotor ab gekehrten Seite einen gelochten Bedienungsdeckel 14 und zwischen den beiden Stufen Luftaustrittsöffnun- gen 15. Auf der dem Antriebsmotor zugekehrten Seite ist die Gehäuseöffnung 16 durch einen Bedie nungsdeckel 17 nach aussen verschlossen.
In Höhe der Austrittsöffnung 15 sitzt auf der Welle 5 ein zweiteiliger Lüfter 18, der so ausgebildet ist, dass er von beiden Seiten her Luft ansaugen kann. In dem Lagerschild 8 der Verstärkermaschine sind axiale Luftdurchtrittsöffnungen 19 vorgesehen. Das Ge häuse 9 des Antriebsmotors hat ausserhalb des Stän- derblechpaketes im Bereich der Lufteintrittsöffnungen 13 angeordnete Querrippen 20 und Längsrippen 21.
Diese Längs- und Querrippen bilden Luftführungs- kanäle. Durch diese Kanäle wird die durch die Öff nungen 13 eintretende Kühlluft zunächst in Pfeil richtung an dem Rücken des Ständerblechpaketes 22 entlang zu den Wickelköpfen 23 und dann wiederum an dem Rücken des Ständerblechpaketes entlang zu den Wickelköpfen 23 auf der anderen Maschinen seite geführt. Von hier wird die Kühlluft durch die axialen Luftdurchtrittsöffnungen 19 zur Eingangs stufe 2 gesaugt und durch die Autrittsöffnungen 15 ausgeblasen.
Auf der anderen Maschinenseite wird die Kühlluft durch die Eintrittsöffnungen im Bedie nungsdeckel 14 über die Ausgangsstufe 3 angesaugt und ebenfalls von dem Lüfter 18 durch die Öffnungen 15 ausgeblasen. Das Aggregat kann mit horizontaler oder vertikaler Welle ausgeführt sein.
Für das in der Zeichnung dargestellte Ausfüh rungsbeispiel wird angenommen, dass die von der zweistufigen Verstärkermaschine abzugebende Lei stung 2,5 kW bei 2900 Ujmin betragen soll. Für die Bemessung der Ausgangsstufe 3 wird zweckmässig bis zu der Grenze gegangen, die die noch zulässige Erwärmung der Maschine setzt, also ohne Rück sicht auf das Verhältnis zwischen Verstärkung und Zeitkonstante. Bei normalen Betriebsbedingungen und der üblichen Ausführung einer Gleichstrom maschine ergibt sich damit ein Ankerdurchmesser d4 = 137 mm und eine Ankerlänge h = 50 mm.
Damit ist nicht nur die Zeitkonstante son dern auch die Gütezahl, die abhängig
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ist von der Grösse des Ankerdurchmessers, und damit auch die Verstärkung der Ausgangsstufe, festgelegt, da die Gütezahl der Quotient aus Verstärkung und Zeit konstante ist.
Diese Werte sind also für die Ausgangsstufe nicht angenommen, sondern ergeben sich aus der Regel, dass für die Bemessung der Ausgangsstufe die Erwär mungsgrenze der Maschine massgebend ist.
In völlig anderer Weise muss bei der Bemessung der Eingangsstufe 2 vorgegangen werden. Hier sind nicht die abzugebende Leistung der Verstärker maschine und die Erwärmungsgrenze massgebend.
Die Gütezahl der ganzen Maschine soll G = 17 000 s-1 sein, wobei die Verstärkung V = 3400 und die Zeitkonstante T = 0,2 s -sein soll. Aus den bekannten Beziehungen zwischen Zeitkonstante, Ver stärkungsfaktor und Ankerdurchmesser folgt, dass zur Erzielung der geforderten Gütezahl der Ankerdurch messer dE mindestens gleich dem Ankerdurchmesser dA der Ausgangsstufe gewählt werden muss und die Ankerlängen lE und 'A ebenfalls am besten gleich bemessen werden. Aus fertigungstechnischen Grün den ist es vorteilhaft, auch die Aussendurchmesser DA und DE der beiden Maschinen gleich gross zu machen.
Eine höhere Gütezahl anzustreben hätte keinen Sinn, da eine Vergrösserung des Verhältnisses der Zeitkonstante der ersten Stufe zu der der zweiten Stufe, das für die Gütezahl massgebend ist, über einen gewissen Wert hinaus keinen nennenswerten Gewinn bringt, sondern im Gegenteil die Zeitkonstante in un erwünschter Weise stark vergrössert.