Gleichstrommaschine insbesondere zur Erzeugung grosser Stromstärken. Maschinen für sehr hohe Ströme und niedrige Spannung bei hoher Drehzahl kann man mit normalen (geschlossenen) Läufer wicklungen nicht mehr bauen, weil die ganze Maschinenspannung schon in einem oder einigen wenigen Leitern erzeugt wird. Dem entsprechend würden auf einer Pol nur wenige Läufernuten kommen, was zur Folge hätte, dass der erzeugte und abgegebene Gleich strom stark pulsierend wäre, und dass ferner eine gute Kommutation nicht zu erreichen wäre.
Der Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Gleichstrommaschine zur Erzeugung grosser Stromstärken, welche einen nahezu konstanten Gleichstrom bei guten Kommu tierungsverhältnissen gibt. Bei dieser soll der Anker erfindungsgemäss mit einer Anzahl offener Wicklungselemente versehen sein, welche durch die unter den Hauptpolen ste henden Kollektorbürsten zum Teil parallel geschaltet werden, die jeweils einen dem Pol bogen der Maschine entsprechenden Teil des Kollektorumfanges überdecken, wobei zum Zweck der Überwindung der Selbstinduktion in den Leitern an der an- und ablaufenden Bürstenkante das von diesen Leitern ge schnittene Kraftlinienfeld der Hauptpole durch vom Hauptstrom beeinflusste Wicklun gen verstärkt, bezw. geschwächt wird, oder umgekehrt je nachdem die Maschine als Generator oder als Motor verwendet wird.
Der Erfindungsgegenstand sei anhand der Figuren näher erläutert. In Fig. 1 ist ein Anker a der nenen Gleichstrommaschine dar gestellt, bei welchem jede Ankerwindung l, l ein offenes Wicklungselement darstellt, deren Anfang und Ende mit Kollektorlamellen verbunden sind, welche voneinander einen der Polteilung entsprechenden Abstand auf demn Kollektor c haben. Die +, wie auch die - Bürsten d-d stehen genau unter Polmitte, und sie schalten so viele Ankerwicklungen parallel, als jede von ihnen gleichzeitig Kol- lektorlmellen überdeckt. Die Bürstenbreite entspricht bei dieser Maschine zweckmässig dem vollen Polbogen h.
Während hier jede offene Wicklung noch zwei induzierten Leitern besteht, lässt sich die Zahl der induzierten Leiter dadurch auf nur einen reduzieren, dass man gemäss Fig. 2 auf jeder Seite des Ankers einen Kol lektor c1, bezw. c2 vorsieht und jeden Anker stab zwischen die beiden Kollektoren schal tet. Diese Anordnung gestattet aber auch eine Reiherschaltung der durch Bürsten parallel geschalteten Wicklungsgruppen in der Art, dass man, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, die Reibenschaltung über die Kollektorbürsten vollzieht.
Unter der Voraussetzung, dass die Polzahl der Maschine grösser als 2 ist, ist eine Reihenschaltung in der Weise möglich, dass man zum Beispiel eine + Bürste des Koi- leldors cl zu der einen Aussenkleinine führt, hinregen die gegeniiberstehende -Bürste (auf Kollektor c2) mit der nächstfolgenden +Bürste (auf Kollektor c2), die dieser gegen- überstebende -Bürste (auf Kollektor c1) mit der nächstfolgenden +Bürste (auf Kol lektor c1) und so fort, und schliesslich die letzte freibleibende Bürste mit der andern Aussenklemme verbindet.
Die Höchstzahl der so hintereinander geschalteten Leiter ist dann gleich der Polzahl der Maschine, während die Zahl der parallelgeschalteten offenen Anker wicklungen durch die von einer Bürste über deckte Lamellenzahl bedingt ist.
Anderseits erfolgt eine Parallelschaltung sämtlicher Wicklungsgruppen zur Erzielung einer möglichst holen Stromstärke gemäss Fig. 3 dadurch, dass je für sich die -Bürsten und die +Bürsten beider Kollektoren mit einander verbunden werden, wodurch eine der Polzahl gleiche Zahl paralleler Wick lungsgruppen erhalten wird. Ist die Bürsten breite gleich Polbogen, dann ist für den Fäll nur eines Leiters pro Nut die Zahl durch je eine Bürste parallelgeschalteter Wicklungs teile gleich dem Quotienten
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wo b den Pol bogen, t die Nutenteilung bedeutet. Da nun bei der Rotation des Ankers in sehr kurzen Zeitintervallen jeweils ein Wicklungsteil aus der ganzen Gruppe paralleler Wicklungsteile ausscheidet, dafür aber ein anderer hinzutritt, Sind die Stromschwankungen um so geringer, je grösser die Zahl paralleler Ankerwicklun gen ist.
In sehr vorteilhafter Weise lässt sich bei dieser Maschine eine gute Kommutie- rang erreichen. Dies soll näher erläutert werden.
Die Stromverteilung auf die einzelnen parallelgeschalteten Leiter richtet sich nach der Form des Hauptfeldes. Ist zum Beispiel die Kraftlinieninduktion über die ganze Länge des Polbogens konstant, so würde der Leiterstrom i während des Durchganges des Leiters unter dem Polbogen nicht sofort seinen Höchstwert annehmen, sondern infolge der Selbstinduktion des Leiters vom Wert 0 aus seinem Maximalwert zustreben. Die Stromverteilung unter der Bürste ist dem nach keine gleichmässige, denn die Strom dichte nimmt narb der ablaufenden Kante hin zu. In Fig. 4 ist das Kraftlinienfeld und die Stromverteilung unter der Bürste dar gestellt. In Fig. 4 bedeutet F die Kraftlinien feldverteilung über der Polteilung t. Man er kennt, dass die Kraftliniendichte B über dem Polbogen p konstant ist.
Die Bürstenbreite b ist gleich p angenommen, und die Kurve c d e gibt den Stromverlauf in einem Leiter an, der sich von c nach f bewegt. Der Höchst wert des Stromes wird erst im Punkte f er reicht. Bei f verlässt der Leiter die Bürste. An dieser Stelle tritt also die Stromunter brechung ein, was aber bei der angenomme nen Feld- und Stromverteilung ein Starkes Funken an der ablaufenden Bürstenkante hervorrufen würde.
Während demnach bei der leerlaufenden Maschine eine Feldverteilung gemäss Fig. 4 vorteilhaft ist, ist dies bei der belasteten Ma schine nicht der Fall. Einerseits muss dafür Sorge getragen werden, dass die Strom zunahme an der auflaufenden Bürstenkante beschleunigt erfolgt, damit die Ausnutzung der Maschine eine gute ist, anderseits muss der Leiterstrom bereits seinen Nullwert er reicht haben, wenn der Leiter die Bürste ver lässt. Diese Stromverteilung lässt sich in der Weise erzielen, dass man die Feldverteilung von dem Belastungszustand der Maschine ab hängig macht. Hierbei wird man darauf Rücksicht nehmen müssen, ob die Maschine als Generator oder als Motor arbeitet.
Erfindungsgemäss sollen nun Einrich tungen getroffen werden, welche bewirken, dass unter dem Einfluss des Belastungs stromes das Kraftlinienfeld an der auflaufen den Bürstenkante beim Generator verstärkt, beim Motor geschwächt wird, während es an der ablaufenden Bürstenkante beim Genera tor geschwächt und beim Motor verstärkt wird. Die Fig. 5, 5a und 5b geben in diesem Falle den Verlauf der Feld- und Stromkurven bei Leerlauf, bei Belastung der Maschine als Generator und bei Belastung der Maschine als Motor an.
Fig. 5 gibt den Kurvenverlauf bei Leerlauf der Maschine an. Der Leiterstrom i ist gleich 0. Die Felddichte ist über den ganzen Pol bogen p hinweg eine konstante, und da Bür stenbreite b = p ist, bewegt sich der Leiter in einem homogenen Feld. Die EMKe paral lelgeschalteter Leiter sind gleich.
Fig. 5a gibt den Kurvenverlauf an, wenn die Maschine als Generator belastet ist und wenn der Belastungsstrom in dem oben an gegebenen Sinne der Feldverteilung beein flusst. Gibt die Pfeilrichtung die Bewegungs richtung des Ankers an, dann ist c die auf laufende, f die ablaufende Bürstenkante. m g h k l n stellt die Feldkurve dar, und es entspricht der Lage nach der Punkt g dem Punkt c, der Punkt l dem Punkt f. An der Stelle c ist, wie ersichtlich, das Feld ver stärkt, an der Stelle f dagegen geschwächt. Diesem Feldverlauf entspricht der in der Figur durch c d e f dargestellte Stromver lauf im Leiter. Man erkennt, dass der Strom nunmehr rascher seinen Vollwert (im Punkt d) erreicht und im Punkt f, also an der ab laufenden Bürstenkante, bereits wieder auf den Nullwert gesunken ist.
Ein gleicher Stromverlauf kommt beim Motorbetrieb zustande, wenn gemäss Fig. 5b die Feldverteilung in der eingezeichneten Weise unter Einfluss des Belastungsstromes bewirkt wird.
Zur Erzielung einer solchen Feldvertei lung werden in an sich bekannter Weise vom Hauptstrom erregte Kompensationsspulen auf den Polen der Maschine verwendet, wel- che jedoch nur die Polkante umfassen und daher nur Einfluss auf die Felddichte an den Polkanten haben. Zweckmässig kann man die Pole der Maschine in der durch Fig. 6 dar gestellten Art ausbilden. Hier bedeutet p einen Magnetpol, h dessen Hauptwicklung, c und d Pompensationswicklungen, welche vom Belastungsstrom gespeist werden. r den rotierenden Anker, a die Ankerwicklung Die eingezeichnete Stromrichtung setzt eine Drehung des Ankers in der Pfeilrichtung voraus, und es wird das Feld dabei an der auflanfenden Polkante gestärkt, an der ab laufenden geschwächt.
Bevor also ein Leiter die Bürste verläbt, hat der Leiterstrom be reits seinen Nullwert erreicht, so dass eine Reaktanzspannung nicht auftritt und Bür stenfeuer vollkommen vermieden wird.
Die beschriebene neue Maschine, die sich ganz besonders zur Erzeugung sehr hoher Ströme bei niedriger Spannung einet, ist aber auch zur Erzeugung normaler und so gar hoher Spannungen verwendbar. Im letzt genannten Falle, also für die Erseugung sehr hoher Spannunge, bietet sie sogar erheb liche Vorteile gegenüber den in der üblichen Art aisgeführten Hochspannungsmaschinen. Diese erfordern mit Rücksicht auf den Kol lektor peist eine sehr kleine Polzahl, da sonst die Spannung zwischen benachbarten Lamellen zu gross würde. Die kleine Polzahl bedingt aber grosse Eisenquerschnitte, d. h. eine schwere und teure Maschine.
Die Ma schine gemäss vorliegender Erfindung, wenn sie mit swei Kollektoren und mit haltung aller Bürsten ausgeführt wird, er fordert gerade für Hochspannung eine sehr hohe Polzahl, und sie wird demgemäss kleine!! Eisenquerschnitte erhalten und äusserst ge ringes Gewicht aufweisen. Schematisch ist die Schaltung der Bürsten durch Fig. 7 ver anschaulicht. Die Pole, deren Zahl gleich der Bürstenzahl eines Kommutators ist, sind nicht!!!! eingezeichnet. Es bedeutet Cl den einen. C2 den andern Kollektor, wobei C1 und C2 auf verschiedenen Seiten des Ankers liegen. c b c d sind zwischen diesen Kollektoren lie gende Ankerleiter. N ist das Gleichstromnetz. Die Zahlenfolge gibt die Reihenschaltung der Bürsten an, und man erkennt, dass die An kerleifer nach diesem Schema zwei parallele Zweige bilden analog der Schaltang, in einem normalen Gleichstromander.
Hierdurch wird der grosse Vorteil erreicht, dass sich trotz der Vielpoligkeit der Maschine die Spannung auf dem Kommutator wie bei einer gewöhnlichen zweipoligen Maschine verteilt. Die Vorteile der Maschine sind also auch in diesem Falle: Kleines Gewicht, kleine Spannung zwischen benachbarten Lamellen, also Sicherheit gegen Rundfeuer, geringe Kupferverluste (weil die inaktiven Ankerteile ausgeschaltet sind) und vor allem auch eine gute Kommutierung.