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.
DC machine especially for generating large currents. Machines for very high currents and low voltage at high speed can no longer be built with normal (closed) rotor windings because the entire machine voltage is generated in one or a few conductors. Accordingly, there would only be a few rotor slots on a pole, which would have the consequence that the direct current generated and output would be strongly pulsating and, furthermore, that good commutation could not be achieved.
The object of the present invention is a direct current machine for generating large currents, which gives an almost constant direct current with good commu tation ratios. In this case, the armature should be provided according to the invention with a number of open winding elements, which are partly connected in parallel by the collector brushes standing under the main poles, each of which covers a part of the collector circumference corresponding to the pole arc of the machine, with the purpose of overcoming the self-induction in the conductors on the leading and trailing edge of the brush, the force line field cut by these conductors of the main poles is reinforced by windings influenced by the main current, respectively. is weakened, or vice versa, depending on whether the machine is used as a generator or as a motor.
The subject of the invention will be explained in more detail with reference to the figures. In Fig. 1, an armature a of the nenen DC machine is provided, in which each armature winding l, l represents an open winding element, the beginning and end of which are connected to collector lamellas which have a distance from one another corresponding to the pole pitch on the collector c. The +, as well as the - brushes d-d are exactly below the pole center, and they connect as many armature windings in parallel as each of them simultaneously covers collector cells. In this machine, the brush width expediently corresponds to the full pole arc h.
While here each open winding still consists of two induced conductors, the number of induced conductors can be reduced to only one by having a collector c1, respectively, on each side of the armature according to FIG. c2 and each anchor rod between the two collectors schal tet. However, this arrangement also allows the winding groups connected in parallel by brushes to be connected in series in such a way that, as shown in FIG. 2, the friction connection is carried out via the collector brushes.
Provided that the number of poles of the machine is greater than 2, a series connection is possible in such a way that, for example, a + brush of the column c1 is led to the one outer small one, the opposite -brush (on collector c2) with the next + brush (on collector c2), which connects this opposite brush (on collector c1) with the next + brush (on collector c1) and so on, and finally the last remaining free brush with the other external terminal.
The maximum number of conductors connected in series is then equal to the number of poles of the machine, while the number of open armature windings connected in parallel is determined by the number of lamellas covered by a brush.
On the other hand, all winding groups are connected in parallel to achieve the highest possible current intensity as shown in FIG. 3 by connecting the -brushes and the + brushes of both collectors to one another, whereby a number of parallel winding groups equal to the number of poles is obtained. If the brush width is the same as the pole arc, then for the case of only one conductor per slot, the number of winding parts connected in parallel with one brush each is equal to the quotient
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where b bends the pole, t means the slot pitch. Since, when the armature rotates, one winding part is eliminated from the whole group of parallel winding parts in very short time intervals, but another is added, the greater the number of parallel armature windings, the smaller the current fluctuations.
A good commutation rank can be achieved in a very advantageous manner with this machine. This should be explained in more detail.
The current distribution to the individual conductors connected in parallel depends on the shape of the main field. If, for example, the induction of the line of force is constant over the entire length of the pole arc, the conductor current i would not immediately reach its maximum value during the passage of the conductor under the pole arc, but rather tend towards 0 from its maximum value due to the self-induction of the conductor. The current distribution under the brush is therefore not even, because the current density increases in the direction of the trailing edge. In Fig. 4, the force line field and the current distribution under the brush is provided. In Fig. 4, F denotes the force lines field distribution over the pole pitch t. We know that the density of lines of force B is constant over the polar arc p.
The brush width b is assumed to be equal to p, and the curve c d e indicates the course of the current in a conductor that moves from c to f. The maximum value of the current is only reached at point f. At f, the conductor leaves the brush. At this point, the power interruption occurs, but with the assumed field and power distribution, this would cause a strong spark on the brush edge.
While a field distribution according to FIG. 4 is advantageous for the idling machine, this is not the case with the loaded machine. On the one hand, care must be taken to ensure that the increase in current at the brush edge is accelerated so that the machine can be used properly; on the other hand, the conductor current must already have reached its zero value when the conductor leaves the brush. This current distribution can be achieved in such a way that the field distribution is made dependent on the load condition of the machine. Here you will have to consider whether the machine is working as a generator or as a motor.
According to the invention, devices are now to be made which, under the influence of the load current, increase the force line field at the brush edge at the generator, weaken it in the motor, while it is weakened at the brush edge at the generator and strengthened at the motor. In this case, FIGS. 5, 5a and 5b indicate the course of the field and current curves when the machine is idling, when the machine is loaded as a generator and when the machine is loaded as a motor.
Fig. 5 indicates the course of the curve when the machine is idling. The conductor current i is equal to 0. The field density is constant over the entire pole arc p, and since Bür most width b = p, the conductor moves in a homogeneous field. The EMKs of parallel-connected conductors are the same.
Fig. 5a shows the curve when the machine is loaded as a generator and when the load current in the sense of the field distribution in the sense given above. If the direction of the arrow indicates the direction of movement of the armature, then c is the brush edge that is moving up and f is the moving brush edge. m g h k l n represents the field curve, and the position after point g corresponds to point c, point l to point f. As can be seen, the field is strengthened at point c, but weakened at point f. This field course corresponds to the current course in the conductor represented by c d e f in the figure. It can be seen that the current now reaches its full value more quickly (at point d) and has already dropped back to zero at point f, that is, at the starting brush edge.
The same current curve occurs during motor operation if, according to FIG. 5b, the field distribution is effected in the manner shown under the influence of the load current.
To achieve such a field distribution, compensation coils excited by the main current are used on the poles of the machine in a manner known per se, but which only encompass the pole edge and therefore only influence the field density at the pole edges. Appropriately, you can train the poles of the machine in the manner shown by Fig. 6 is. Here p means a magnetic pole, h its main winding, c and d pompensation windings, which are fed by the load current. r the rotating armature, a the armature winding The current direction shown assumes a rotation of the armature in the direction of the arrow, and the field is strengthened at the pole edge as it moves up and weakened at the edge that runs down.
So before a conductor leaves the brush, the conductor current has already reached its zero value, so that a reactance voltage does not occur and brush fire is completely avoided.
The new machine described, which is particularly suitable for generating very high currents at low voltages, can also be used to generate normal and even high voltages. In the last-mentioned case, ie for generating very high voltages, it even offers considerable advantages over the high-voltage machines implemented in the usual way. With regard to the collector, these require a very small number of poles, as otherwise the voltage between adjacent laminations would be too high. However, the small number of poles requires large iron cross-sections, i.e. H. a heavy and expensive machine.
The machine according to the present invention, if it is executed with two collectors and with all brushes held, it requires a very high number of poles, especially for high voltage, and it is accordingly small! Preserve iron cross-sections and have extremely low weight. Schematically, the circuit of the brushes is illustrated by Fig. 7 ver. The poles, the number of which is equal to the number of brushes of a commutator, are not !!!! drawn. It means Cl the one. C2 the other collector, where C1 and C2 are on different sides of the armature. c b c d are anchor conductors lying between these collectors. N is the direct current network. The sequence of numbers indicates the series connection of the brushes, and it can be seen that the anchors form two parallel branches according to this scheme, analogous to the switching, in a normal direct current.
This has the great advantage that, despite the multi-polarity of the machine, the voltage on the commutator is distributed as in a normal two-pole machine. The advantages of the machine are also in this case: low weight, low voltage between adjacent lamellas, i.e. security against round fire, low copper losses (because the inactive armature parts are switched off) and, above all, good commutation.