DE113552C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Der Erfindungsgegenstand besteht in einer elektrischen Maschine, bei welcher das magnetische Inductionsfeld ein Drehfeld ist, und welche zwischen den feststehenden Bürsten entweder einen Gleichstrom zu erzeugen gestattet, wenn die Ankergeschwindigkeit in Bezug auf das Feld einer einfachen Zahl entspricht, beispielsweise 1, 2, 3 . . ., Y₂, ¹I₃ ... u. s. w., oder im entgegengesetzten Falle ein oder mehrere Wechselströme, deren Frequenz durch die im Folgenden entwickelte algebraische Gleichung bestimmt ist.

In beiliegender Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand veranschaulicht, und zwar zeigt

Fig. ι denselben in schematischer Ansicht.

Fig. 2 ist die schematische Darstellung eines Ankers mit besonderer Wicklung für zweipolige Maschinen.

Fig. 3 ist die schematische Darstellung eines Ankers mit abgeänderter Wicklung.

Fig. 4 und 5 stellen bezw. in Seiten- und Vorderansicht, theilweise im Schnitt, die Anordnung einer vierpoligen Maschine dar.

Nimmt man einen Ring α aus Eisenblech (Fig. ι), entsprechend den für gewöhnliche Gleichstrommaschinenanker benutzten, läfst denselben in der Pfeilrichtung mit der Geschwindigkeit Q sieh drehen, legt durch denselben ein magnetisches Doppelfeld, entsprechend demjenigen einer zweipoligen Gleichstrommaschine, wie in der Zeichnung durch strichpunktirte Linien angedeutet, und dreht dieses Feld im gleichen Sinne wie den Anker mit einer Geschwindigkeit ω, so wird in einer bei b befindlichen Spule die erzeugte elektromotorische Kraft sein

e [μ — Q) sin (ω — Ω) ί,

wobei e vom Werthe des magnetischen Flusses abhängt.

In einer bei c angeordneten Spule wird die erzeugte elektromotorische Kraft sein

e (w — Q) sin (ι»ί — Qt — φ);

sind aber bei c eine Anzahl Windungen J_x (φ) vorhanden, so wird die erzeugte elektromotorische Kraft sein

f_x (φ) e (ω — Q) sin (w t — Qt — φ).

Bei einer bei d rechtwinklig zu der ersten angeordneten Spulenzahl f_% (φ) wird die erzeugte elektromotorische Kraft sein

— /2 (ψ) ^ek" — ®) ^cos {^ω t — ®t'— ψ)·

Setzt man nun die bei c gelegenen Spulen in Spannung zu den bei d gelegenen Spulen, so erzielt man eine elektromotorische Gesammtkraft

^e (« — .8) L/i (?) ^sin ("^J t — « t — φ) — /₂ (φ) COS (co t — Q t — φ) ].

Ordnet man nun auf dem Anker zwei vollständige Wicklungen derart an, dafs man für dieselben erhält

/1 (ψ) = y cos A φ

/2 (ψ) = -τ ^{sin k}

wobei η die Windungszahl einer Wicklung bedeutet, welche von einem Winkel θ in der

Stellung eingeschlossen wird, in welcher sich die meisten Drähte befinden, so wird die elektromotorische Kraft einer Abtheilung sein

— e (w —· S) sin (oif — Sf — φ — k φ).
θ

Verbindet man dann, wie in einer gewöhnlichen Gleichstrommaschine, alle Abtheilungen

— at— φ

τ-, Γ η ,

E — e (ω

mit einem Stromsammler, ordnet zwei Bürsten auf demselben, die eine bei g, die andere bei h in einem Winkel ψ zu einander an, so wird die sich zwischen diesen beiden Bürsten ansammelnde elektromotorische Kraft in jedem Augenblick gleich sein der Summe der elektromotorischen Kräfte der im Winkel ψ eingeschlossenen Abtheilungen, d. h.

Q) sin (tu t — Ω t — (£ + ι) φ) dφ

ι) ψ) cos (uot -f-

Giebt man dem Winkel ψ den Werth j so wird diese elektromotorische Kraft

k+ ι

E =

ine w

COS [W

Sie ist continuirlich, wenn w = —k Ω,

. . _, 2 η eQ
dann ist h = — ■

Sie ist wechselnd für die übrigen Beziehungen zwischen w und Ω, ihr Maximum ist jedoch ine w — Ω

STCtS ■ ~~z j *

θ k + ι

Prüft man nun, was diese verschiedenen Formeln bedeuten, ,so findet man, dafs, wenn k = ο ist, sin k φ = ο wird, d. h. die eine der Wicklungen wegfällt; dafs ferner

cos k φ = ι

wird, d.h. die andere Wicklung gleichmäfsig ist und w = o, das Feld feststehend sein mufs, damit man Gleichstrom erhält, und dies ist der Fall bei der gewöhnlichen Dynamomaschine.

Für alle übrigen Werthe von k mufs sich das Feld drehen, wenn man Gleichstrom erhalten will. Dieses Drehfeld kann dann erhalten werden entweder mechanisch, indem man die durch Gleichstrom erregten Inductoren sich drehen läfst, oder elektrisch, indem man dieses Feld mittelst mehrphasiger Ströme erzeugt, welche die auf einem festen, aus Lamellen gebildeten Inductor befestigten Wicklungen durchlaufen. Welches auch immer das zur Drehung des Feldes angewendete Mittel sein mag, die Formeln bleiben dieselben.

Als Analogie kann man die Vorgänge in schwingenden Saiten annehmen, wenn man die Stelle, wo die meisten Drähte vorhanden sind, als Wicklungsbauch und die Stelle, wo die wenigsten Drähte vorhanden sind, als Wicklungsknoten bezeichnet, die Zahl der Bäuche und Knoten einer Wicklung wird dann gleich 2 k sein.

Prüft man nun einige besondere Fälle: ι. Ar sei = ι; es werden dann in jeder Wicklung ebenso viel Bäuche vorhanden sein, wie Pole im Inductor. Die Bürsten müssen

in einem Winkel — von einander entfernt auf

dem Stromwender angeordnet, also für jedes Feld zwei Bürsten vorhanden sein.

Weiter wird dann w = — Ω, d. h. das Feld mufs sich mit gleicher Geschwindigkeit entgegengesetzt zum Anker drehen, damit Gleichstrom entsteht.

2. k sei — 2; es werden dann in jeder Wicklung ebenso viel mal zwei Bäuche vorhanden sein, wie Pole im Inductor. Die

Bürsten müssen in einem Winkel ψ —

k + i

7Γ

also — auf dem Stromwender vertheilt sein.

3
Es wird dann w — —ι S, d. h. das Feld mufs sich entgegengesetzt zum Anker mit doppelter Geschwindigkeit drehen, damit Gleichstrom entsteht.

Zu analogen Schlüssen gelangt man, indem man k = 3, 4, 5 . . . u. s.' f. macht.

3. k sei = — 1; daraus ergiebt sich 00 = S, d. h. das Feld dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Anker im gleichen Sinne, und es ist keine Induction vorhanden, wie die Formel für ψ angiebt, da dieselbe zu ψ = 00 führt.

4. k sei = — 2; es werden in jeder Wicklung so viel mal zwei Bäuche vorhanden sein, als Pole im Inductor, aber die eine der Wicklungen wird umgekehrt sein in Bezug auf den Fall k = 2.

Die Bürsten müssen im Winkel ψ =

also = — π auf dem Stromwender vertheilt und ebenso viel Bürsten vorhanden sein, wie

Pole. Weiter ist dann u> = 2S, d. h. das Feld mufs sich im gleichen Sinne wie der Anker mit doppelter Geschwindigkeit drehen, damit Gleichstrom entsteht:

5. k sei = — 3; man hat dann ψ =

(d. h. zwei Bürsten für jeden Pol) und u> = 3 Q.

Man gelangt ferner zu analogen Schlüssen für k = — 4, — 5 u. s. f.

Alle diese ausführbaren Fälle sind nicht gleich interessant. Unter den vorstehend betrachteten sind es besonders die Fälle k = 1 und k = — 2.

Der erste Fall k = 1 gestattet, die Erregung mit einem feststehenden Inductor und einem einfachen Wechselstrom auszuführen. ■Thatsächlich kann ein einfaches Wechselfeld

Zwischen den Lamellen .... 1 2 -x

betrachtet werden als Uebereinanderlagerung zweier Drehfelder von den Umlaufsgeschwindigkeiten ui bezw. — u); da das erstere die gleiche Geschwindigkeit wie der Anker hat, erzeugt es keinen Strom; das System wirkt mithin, als wenn nur ein Drehfeld vorhanden wäre von der Geschwindigkeit — w.

Fig. 2 giebt das Schema eines in dieser Weise gewickelten Ankers für eine zweipolige Maschine wieder. Es sind 16 Sammlerlamellen und mithin 16 Abtheilungen vorhanden. Zwischen den Lamellen 1 und 2 sind vier Windungen der Spule I und neun Windungen der Spule II eingeschaltet. Zwischen den Lamellen 2 und 3 ο Windungen der Spule I und 10 Windungen der Spule II.

Man kann deshalb folgende Tabelle aufstellen :

II

12

—4

sind eingeschaltet

Windungen der Spule I

und

Windungen der Spule II
in Spannung.

Der zweite Fall k = —2 ist in der Hinsicht .interessant, als man für eine zweipolige Maschine nur zwei Bürsten nöthig hat.

Fig.' 3 giebt die schematische Ansicht eines in dieser Weise gewickelten Ankers.

Will man vielpolige Maschinen herstellen, so sind noch weitere Lösungen interessant.

Für eine vier-, acht-, zwölf-, sechzehnpolige

Maschine gestattet die Formel k = ■> welche

ψ = 2 π und ω = —' ergiebt, bei gleichfalls

nur zwei Bürsten für vier Pole auf dem Stromwender die Erregung der Maschine vermittelst eines feststehenden Inductors und den Ankerwicklungen entnommener Ströme auszuführen. Die im Anker inducirten elektromotorischen Kräfte sind thatsächlich von der gleichen Frequenz wie die Ströme, welche die Erregung zu bewirken haben, es genügt mithin zur Erzeugung derselben die Anordnung von drei oder vier Ringen und Bürsten.

Da nicht alle ausführbaren Fälle in ihren Einzelheiten beschrieben werden können, wird dieser Sonderfall zur eingehenden Beschreibung ausgewählt, da er, wie alle anderen, eine Maschine mit gesonderter Erregung und aufserdem, wie oben bereits ausgeführt, eine selbsterregende Maschine herzustellen gestattet. ' Die Fig. 4 und 5 geben einen Gesammtbegriff dieser Anordnung wieder, d. h. sie stellen eine vierpolige Maschine dar, in welcher k = — V₂ ist.

O	4	7	9	10	9	η	l-f	4	0	—4
10	9	7	4	0	—4	—9	IO	—9

Diese Maschine besteht mithin wie eine gewöhnliche Gleichstrommaschine aus einem feststehenden Theil oder Inductor i und aus einem beweglichen Theil oder Anker m, dessen Umlaufszahl zu 1800 Touren pro Minute, also 30 Touren pro Secunde angenommen wird.

Der Inductor i ist aus Eisenblechscheiben j gebildet, welche von einander isolirt und mit Durchlochungen versehen sind, durch welche die im vorliegenden Falle als zweiphasig angenommenen Wicklungen geführt sind. Es sind also acht Inductionsspulen vorhanden, vier k k k k für die eine Phase und vier / / / / für die andere Phase.

Diese Wicklungen entsprechen vollständig denen eines Drehfeldmotors und werden von zwei zweiphasigen Strömen mit einer Frequenz von 30 Perioden pro Secunde durchflossen, welche ein Drehfeld mit einer Geschwindigkeit von 900 Touren pro Minute oder 15 Touren pro Secunde (to = Ω/2) erzeugen. Der Inductor verhält sich demnach vollständig wie der feststehende Theil eines Drehfeldmotors.

Der Anker ist gleichfalls aus Eisenblechscheiben η gebildet, welche von einander isolirt sind und entweder glatt, gezahnt oder durchlocht sein können. Im vorliegenden Falle ist ein glatter Anker angenommen. Derselbe nimmt die beiden Sinuswicklungen ο und ρ auf, und zwar sind dieselben im gegebenen Falle als Ringwicklungen ausgeführt; sie können jedoch auch als Trommelwicklungen ausgebildet sein.

Da k = , so wird auf dem Anker ein

Bauch für jedes Polpaar; und da vier Pole vorhanden sind, zwei Bäuche für die Wicklung entstehen. Für die beiden Wicklungen sind 24 Spulen vorgesehen, je zwölf für eine Wicklung. Das Bewicklungsgesetz, d. h. die Vertheilung der Windungszahlen in den einzelnen Spulen wird beispielsweise sein
₅ ii bi ^υ ₅ 5). O₅.^υ ₅ όι bt ^υι D-; ~~~5
für die eine und

6₅ 5> 3_? °> —3₅ —5₅ —6,-5, — 3-, o, 3₅ 5
für die andere Reihe Spulen.

. Die zweite Wicklung wird auf dem Anker unter 45 ° zur ersteren verstellt angeordnet, da vier Pole vorhanden sind. Jede Spule, einer Wicklung wird mit der unter 45 ° angeordneten der anderen Wicklung verbunden. Die in Fig. 5 in vollen" Linien angegebenen Spulen werden, mit den durch strichpunktirte Linien angedeuteten, unter 45° versetzten und rechts vom Ganzen angeordneten verbunden, entsprechend einem .Schema, welches dem der Fig. 2 gleicht, jedoch mit dem Unterschied, dafs zwölf Segmente auf dem Stromwender vorhanden sind anstatt 16, und dafs . die .Verbindungen unter 45° anstatt unter 9p⁰ hergestellt werden.

Auf dem Stromwender q schleifen zwei um . i8o° zu einander verstellte Bürsten (ψ = 2 π für zwei Pole), welche in der Zeichnung fortgelassen sind, und von denen in normalem Zustande die eine von der Stange r, die andere von einer ähnlichen durch die Hülle des unteren Theils verdeckte Stange getragen wird.

Auf diese Weise wird man, wenn der Anker sich mit 1800 Touren pro Minute dreht, zwischen den Bürsten einen Gleichstrom sammeln", wie sich dies, aus den oben angegebenen Formeln und aus den zur Prüfung der Genauigkeit dieser Formeln angestellten Versuchen ergiebt.

Nebenbei sei noch bemerkt, dafs man, anstatt zwischen den beiden Stromwenderstegen eine Abtheilung einzuschalten, bestehend aus einer Spule der Wicklung I in Reihe mit einer Spule der Wicklung II, ebenso gut auch zwischen den Stegen 1 und 2 eine Spule der Wicklung I, zwischen den Stegen 2 und 3 eine Spule der Wicklung II, dann zwischen den Stegen 3 und 4 die folgende Spule der Wicklung I u. s. f. setzen kann, indem man dem Stromwender die doppelte Anzahl Stege giebt (nämlich 24 anstatt 12), wie dies bei der Darstellung der 24 Stege auf dem Stromwender angenommen wurde.

Will man das Drehfeld mit den von der Maschine selbst ausgehenden Strömen erzeugen, so hat man auf die Welle vier Ringe s s s s aufzusetzen, welche an vier um 90⁰ zu einander angeordneten, unveränderlichen Punkten mit den Ankerwicklungen verbunden sind, wie bei einem gewöhnlichen Zweiphasenstrom-Gleichstrom - Umformer, so dafs man Zweiphasenstrom vermittelst vier in der Zeichnung nicht dargestellter Bürsten sammeln kann.

Diese beiden unter 90° in der. Phase gegen einander verschobenen Ströme werden eine Frequenz von 30 Perioden., pro Secunde besitzen, welche, die .für die Erregung des Inductors geeignete ist, da sich das Feld mit einer Geschwindigkeit von 1 5 Touren pro Secunde dreht und der Anker mit einer Geschwindigkeit von 30-Touren pro Secunde läuft, woraus sich ein Unterschied von 1-5 Touren, pro Secunde ergiebt, so dafs bei vier Polen Ströme von 30 Perioden pro Secunde inducirt werden«

Von den vier über den Ringen S s s s gleitenden Bürsten werden zwei mit der Wicklung II und zwei mit der Wicklung I des Inductors verbunden. Man, kann zur Spannungsregelung in jeden der Stromkreise Widerstände, oder Selbstinductionsspulen einschalten.

Es ist klar, dafs die Erregung, anstatt mit Zweiphasenströmen, auch mit Dreiphasen-· strömen ausgeführt werden kann, welche durch Vermittelung von drei Ringen an drei unveränderlichen Punkten des Ankers gesammelt werden. Desgleichen könnte die inducirte Wicklung aus drei um 6o° zu einander verstellten Wicklungen (anstatt aus zwei im Winkel von 45⁰ zu einander stehenden) hergestellt sein, wobei jede Abtheilung aus drei hinter einander geschalteten Spulen besteht, welche den drei Wicklungen entnommen sind.

Mit einigen Worten mögen noch die Fälle k =■ ι und k = — 2 erwähnt und das Verhalten der Maschine in diesen beiden Fällen untersucht werden. Da die Erregung nicht mehr vom Anker aus erfolgen kann, so wird sie gesondert ausgeführt, und die vier Ringe ssss werden" verschwinden.

Für den Fall k = 1 würde die Maschine eine doppelte Spulenzahl im Anker und acht

Bürsten haben (ψ·= ^:— für zwei Pole). Zur

Erzeugung von Gleichstrom mufs, da der Inductor durch Ströme von 30 Perioden pro Secunde erregt wird, der Anker mit 900 Umdrehungen pro Minute und entgegengesetzt zum Feld umlaufen (ω = — Ω).

Es wurde bereits gezeigt, dafs die Erregung durch einen einfachen Wechselstrom mit 30 Perioden pro Secunde bewirkt werden kann, indem sich der Anker nach der einen oder der anderen Richtung mit einer Geschwindigkeit von 900 Touren pro Minute dreht. Eine hier nicht weiter zu erörternde Berechnung

zeigt, dafs das gleiche Ergebnifs auch mit annähernder Genauigkeit mit einem Drehfeld und einer einzigen Sinuswicklung auf dem Anker erhalten wird.

Für den Fall k = — 2 würde die Maschine eine vierfache Spulenzahl im Anker und vier Bürsten besitzen (ψ = π für zwei Pole). Um einen Gleichstrom zu erhalten, müfste, da der Inductor durch Ströme mit 30 Perioden pro Secunde erregt wird, der Anker sich mit 450 Touren pro Minute drehen, und zwar in der gleichen Richtung wie das FeId-(Gu = Q).

Es können noch weitere besondere Fälle der allgemeinen Lösung interessant sein. Beispielsweise . gestattet für eine achtpolige Maschine die Lösung k =■· ^-■> welche ψ =

.— 4 π ergiebt, die Anwendung von nur zwei Bürsten; ebenso für eine zwanzigpolige Ma-

22
schine die Lösung k = ; welche ύι —

20

— ι ο π ergiebt.

Die Lösung k = 1, bei welcher sich das magnetische Feld in entgegengesetztem Sinne und mit einer der Ankergeschwindigkeit gleichen Geschwindigkeit drehen mufs, gestattet die Herstellung einer Gleichstromdynamomaschine, in welcher der Inductor wie der Anker beweglich, die Bürsten jedoch festgelagert sind, was für eine beliebige, mit einem Collector versehene Maschine unerläfslich ist. Diese Maschine ist überhaupt weit vortheilhafter als eine gewöhnliche Dynamomaschine, da die relative Geschwindigkeit des Ankers und der Pole eine doppelt so grofse ist.

Es erscheint nicht erforderlich, näher auf die Beschreibung dieser Maschine einzugehen. Der Anker gleicht dem für den Fall k = 1 besprochenen. Der Inductor würde dem einer gewöhnlichen Gleichstrommaschine entsprechen, jedoch mechanisch für eine Drehbewegung in der Ankerrichtung entgegengesetzter Richtung mit gleicher Geschwindigkeit eingerichtet sein.

Wenn hier nur der besondere Fall besprochen wird, in welchem es sich um die Anwendung eines mechanischen Drehfeldes handelt, so soll damit nicht gesagt sein, dafs dieses Feld nicht auch für die anderen Fälle

k = 2, i = 3, k = ·— — 1 k = — 2 u. s. w.

angewendet werden könnte. Das mechanische Drehfeld kann in allen Fällen angewendet werden, und es ergiebt sich von selbst, dafs man auch die mechanische Drehung und die elektromagnetische mit einander verbinden kann, indem man einen Motorinductor mit von vielphasigen Strömen durchflossenem Drehfeld mechanisch umlaufen läfst.

Wie oben bereits gesagt ist, bleiben die Resultate die gleichen, welches auch immer das zur Erzeugung des Drehfeldes angewendete Mittel sein mag.

Alle bisherigen Ausführungen beziehen sich ebenso wohl auf Motoren als auf Stromerzeugermaschinen. Besonders gestattet die

Lösung k = 1 für eine yierpolige Maschine, von der bereits oben die Rede war, und bei welcher die Erregung der Maschine selbst entnommen werden kann, die Herstellung von Stromerzeugermaschinen oder Motoren mit verhältnifsmäfsig hoher Spannung ohne Anwendung sehr feinen Drahtes auf den Inductoren. Da die Erregung wechselt, braucht man infolge der Selbstinduction für die gleiche Amperewindungszahl weniger Windungen und Amperes.

Im Anschlufs hieran sollen kurz die Vorgänge aus einander gesetzt werden, welche sich abspielen, wenn die Geschwindigkeit des Feldes ω nicht mit derjenigen des Ankers ß durch die Formel gu = — k Ω verbunden ist.

Angenommen, die Geschwindigkeit des Feldes sei w -f- Σ, wobei w die Geschwindigkeit ist, bei welcher man Gleichstrom (gu = — k Q) erhält. Die elektromotorische Kraft zwischen den Bürsten wird dann

2 η e Γ Σ 1

θ I ft+ ij

Σ t.

Ordnet man nun auf dem Stromwender weitere Bürsten an, genau im Mittelpunkte der die vorigen trennenden Zwischenräume, so wird die elektromotorische Kraft zwischen diesen Bürsten

E =

ine

U-

sin Σ t.

Man kann also zweiphasige Ströme sammeln oder auch dreiphasige, indem man im letzteren Falle die Bürsten derart anordnet,

dafs ihr Winkelabstand — vom vorigen beträgt,

und diese Ströme besitzen eine Frequenz, welche analog derjenigen der in Motoren mit mehrphasigen Inductionsströmen inducirten Ströme ist, wenn der Anker sich mit einer von der Feldgeschwindigkeit verschiedenen Geschwindigkeit dreht.

Es ist klar, dafs man bei der vorbeschriebenen Maschinenart die Bürsten sich drehen lassen kann, indem man dem Anker und dem Feld von den durch die Formeln angegebenen verschiedene Geschwindigkeiten ertheilt, jedoch würde dadurch nicht eine Vereinfachung, sondern vielmehr eine Verwicklung erzeugt.

Weiter ist klar, dafs man in den beschriebenen Ankern drei um 120° zu einander ver-

stellte Wicklungen an Stelle von zwei um 90^c verstellten Wicklungen anwenden kann.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Dynamomaschine oder Motor für Gleichstrom und ein- oder mehrphasigen Wechselstrom , dadurch gekennzeichnet, dafs in einem durch Einphasenwechselstrom oder Mehrphasenstrom in feststehenden oder umlaufenden Feldmagneten oder durch Gleichstrom in umlaufenden Feldmagneten erzeugten Drehfelde ein Anker rotirt, der mit einer oder mehreren unter ι einem Winkel zu einander versetzten Wicklungen versehen ist, die aus Spulen bestehen, deren Windungszahlen nach einer Sinusfunction wechseln, und die in der Weise hinter einander geschaltet und mit den Stegen eines Stromwenders verbunden sind, dafs stets auf eine Spule der einen Wicklung eine um den Verdrehungswinkel der Wicklungen rückwärts liegende Spule der nächsten Wicklung folgt, wobei die Art des erzeugten oder verbrauchten Stromes von dem Drehungssinn und der relativen Geschwindigkeit zwischen Anker und Feld abhängig ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.