DE122411C - - Google Patents

Description

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

-ΛΙ122411.-KLASSE 21 <?.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 10. Mai igoo ab.

Bei Gleichstrommaschinen, deren Ankerfeld durch ein gleich grofses, entgegengesetzt gerichtetes Feld aufgehoben ist, desgleichen bei rotirenden und ruhenden Umformern ist eine Ankerrückwirkung nicht vorhanden, dennoch ist es nothwendig, die Bürsten am Stromwender aus der neutralen Zone zu rücken, um eine funkenlose Stromwendung möglich zu machen.

Durch die Verschiebung der Bürsten aus der neutralen Zone wird aber neuerdings eine Rückwirkung des Ankers und eine unerwünschte Veränderung der Spannung hervorgebracht.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Wicklungsanordnung, die es ermöglicht, bei Maschinen, deren Ankerfeld aufgehoben ist, eine funkenlose Stromwendung zu erreichen, ohne die Bürstenstellung zu verändern, gleichzeitig aber auch den Spannungsabfall zu verhüten bezw. die Ankerspannung in irgend einer gewünschten Weise zu verändern.

Die Verdrehung der Bürsten im Sinne des Umlaufs beim Generator, im entgegengesetzten Sinne beim Motor, ist gleichbedeutend mit einer Vergröfserung des Winkels zwischen dem Hauptmagnetfelde und der Bürstenachse. Um diese Winkelä'nderung hervorzubringen, werden nach vorliegender Anordnung nicht die Bürsten verschoben, sondern es wird das Magnetfeld verdreht, während die Bürsten feststehend bleiben. Die Felddrehung erfolgt selbstthätig und in solcher Abhängigkeit von dem veränderlichen Ankerstrome, dafs für jede Belastung eine funkenlose Stromwendung vor sich geht. Gleichfalls selbstthätig wird das Feld, welches die elektromotorische Kraft im Anker inducirt, so beeinflufst, dafs jede gewünschte Veränderung der Ankerspannung hervorgerufen wird.

Um die Verdrehung des resultirenden Feldes und gleichzeitig die gewünschte Aenderung der Ankerspannung zu bewirken, wird eine besondere Compensationswicklung an dem Feldmagneten.angebracht, welche, vom Hauptstrome durchflossen, ein Feld erzeugt, das sich mit dem Hauptfelde zu einem resultirenden Felde von solcher Gröfse und Lage zusammensetzt, dafs hierdurch beide angestrebten Wirkungen hervorgebracht werden.

Voraussetzungen für diese Anordnungen sind:

1. dafs ein Ankerfeld gar nicht oder nur in geringer Stärke vorhanden ist,

2. dafs das Hauptfeld und das Compensationsfeld sich möglichst gleichmäfsig — am besten sinusförmig —■ entwickeln und zusammensetzen,

3. dafs das Hauptfeld in constanter Stärke erregt wird.

Bei den bisher für diesen Zweck bekannten Einrichtungen wurden entweder complicirte Wicklungen angeordnet oder es wurden neben den eigentlichen Feldmagneten besondere Nebenmagnete als zusätzlicher Bestandtheil der Maschine hergestellt, welche den Bau der Maschine umständlich und verwickelt gestalteten

und überdies durch magnetische Nebenschlüsse die Gesammtwirkung beeinträchtigten (s. die britische Patentschrift 22772 vom Jahre 1897), wobei auch wohl behufs Ausbildung der Nebenmagnete die Eisenquerschnitte für den Hauptkraftfiufs verringert wurden, was die Erregung der Dynamomaschine unvortheilhaft machte. Weiterhin kann die in Nr. 2 als nothwendige Voraussetzung für das Gelingen der Anordnung aufgestellte Forderung nur dann erfüllt werden, wenn man den Feldmagneten am ganzen Ankerumfange mit gleichem Luftabstand ausführt. Man wird also dem constructiven Aufbau nach auf eine Maschine geführt, wie sie in den deutschen Patentschriften 105545 und 105463 beschrieben ist. Den Gegenstand dieser Druckschriften bildet eine Wicklungsanordnung zur Erregung von Dynamomaschinen, welche bewirkt, dafs das resultirende Feld in Richtung und Stärke constant bleibt, wie sich auch die Belastung der Maschine ändern möge, zu dem Zwecke, eine constante Ankerspannung zu erzielen. Wie die Erfahrung gezeigt hat, können indessen bei dieser Anordnung die Funken am Stromwender nicht völlig vermieden werden.

Die neuen Anordnungen, welche eine völlig funkenlose Stromwendung bezwecken, zugleich aber im Gegensatz zu den Einrichtungen der deutschen Patentschriften 105545 und 105463 die Ankerspannung in irgend einer gewünschten Weise verändern sollen, werden im Folgenden an der Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, und zwar sind Fig. 1, 5, 6, 9 und 10 schematische Darstellungen von Wicklungen auf Anker- und Feldmagneten, und Fig. 2 bis 4, 7 und 8 Diagramme, welche die Stärke und Richtung der Magnetfelder veranschaulichen. In diesen Darstellungen wurde der Einfachheit halber eine zweipolige Anordnung zu Grunde gelegt, nur in Fig. 5 und 6 erschien es zweckmäfsig, die vierpolige Anordnung zu wählen.

In allen Figuren bedeuten β β die Bürstenachse oder die Achse des (fictiven) Ankerfeldes, Θ Θ die neutrale Zone, α a (N SJ die Achse des Hauptmagnetfeldes, γ γ die Achse des Compensationsfeldes, die gekrümmten Pfeile die Drehrichtung des Ankers bezw. der Bürste, die geradlinigen Pfeile die Richtung des magnetischen Kraftflusses; in den schematischen Darstellungen : B die Bürste, C den Stromwender, A den Anker, M den Feldmagneten; in den Diagrammen: φ den Winkel zwischen ßß und der resultirenden Feldachse, ο den Mittelpunkt des Systems, ο h die Richtung des Ankerkraftfiusses, ο α das ursprüngliche, 0 b das resultirende Magnetfeld in Gröfse und Richtung.

Fig ι zeigt schematisch die Anordnung für eine Nebenschlufsmaschine. Das Hauptfeld mit der Achse α α wird durch die Nebenschlufswicklung S¹ S¹ . . . . und das Compensationsfeld mit der Achse γ γ durch die Serienwicklung S'² S'² . . . . erregt. Letztere Achse schliefst mit β β den Winkel & ein; K¹ und K² sind die Polklemmen der Maschine.

Die Fig. 2 und 3 sind die Diagramme für diese Anordnung mit ähnlichen Bezeichnungen. of ist das von dem Ankerstrom abhängige Compensationsfeld in Stärke und Richtung, ebenso ο α das durch den Nebenschlufs erregte Hauptfeld. Die Bürsten sind feststehend in ■der Linie β β zu denken, ο b ist die Resultirende aus of und 0 a. Diese Resultirende kann in zwei Componenten zerlegt aufgefafst werden, in die Componente, welche mit der Achse der Bürsten zusammenfällt und das Stromwendungsfeld bildet, und in die senk recht hierzu stehende Componente, die für die elektromotorische Kraft des Ankers mafsgebend ist und das inducirende Feld bildet. Der Gröfse nach wird das Stromwendungsfeld durch die Strecke b d und das inducirende Feld durch die Strecke 0 d dargestellt, wobei 0 d nach Fig. 2 um α d gröfser und nach Fig. 3 um α d kleiner ist als ο α. Θ Θ ist die neutrale Achse.

Der Winkel φ ist gröfser als — sowohl beim

Stromerzeuger, als auch beim Motor. . Dies ist gleichbedeutend damit, als wären die Bürsten im Sinne der Drehrichtung beim Stromerzeuger und im entgegengesetzten Sinne beim Motor gegen die Feldachse verschoben worden.

Durch die Wahl einerseits der Windungszahl der Compensationswicklung (nennen wir diese Zahl n>_c) und andererseits des Winkels d hat man es in der Hand, beide Bedingungen zu erfüllen, nämlich die Feldcomponente hervorzubringen, welche die für funkenlose Stromwendung erforderliche elektromotorische Kraft erzeugt und auch diejenige Feldcomponente, die sich zu dem ursprünglichen Magnetfelde ο α hinzuaddirt bezw. von demselben subtrahirt, um die gewünschte Spannungsänderung zu bewirken.'

Da die Compensationswicklung im Hauptstromkreise liegt, ist of = w_c I, wobei I den Ankerstrom bedeutet. Nach den Fig. 2 und 3 ist das Stromwendungsfeld:

M₀ — of cos $ — \w_c cos ό'] I = C₁I, ferner das inducirende Feld:

Mi = 0 a + ad = M -\- of sin <5 =

M + \n>_c sin S] I = M + C₁1,
wenn M die ursprüngliche Feldstärke ist.

C₁ und C₂ sind Coefficienten von ganz bestimmten Werthen. Das Stromumkehrungsfeld wird demnach — wie es auch der funkenlose Gang bei Feldbürsten erfordert — mit I proportional. Ebenso wird auch das zusätzliche bezw. abzügliche Feld mit / proportional, d. h.

das inducirende Feld wird nach einem einfachen Verhältnisse zur Belastung veränderlich sein, wie es für die Compoundirung des Erzeugers oder Motors nothwendig ist.

Ist für einen bestimmten Ankerstrom das Wendefeld und für denselben Ankerstrom die gewünschte Verstärkung oder Schwächung des inducirenden Feldes — etwa in Amperewindungen — gegeben, so trägt man (Fig. 4) ersteres als Abscisse 0 e (Cosinuswerth von <5), letztere als Ordinate ef (Sinuswerth von S) auf. of ist dann die Gröfse der Compensationswicklung, bezogen auf den gleichen Strom. Durch Division mit der Stromstärke ergiebt sich daraus die erforderliche Windungszahl; ferner aus d die Lage der Compensationswicklung.

In Fig. ι bis 3 ist von derjenigen Feldwicklung bezw. von demjenigen Feld, welches das Ankerfeld aufhebt, gänzlich abgesehen worden. Diese Wicklung, welche den Gegenstand der deutschen Patentschrift 105545 bildet, liegt aber ebenso wie die Compensationswicklung im Hauptstromkreise, man kann also beide Wicklungen mit einander combiniren. Bezeichnet in Fig. 4 0 h das Ankerfeld, ο H₁ dessen Gegenwerth, 0 e und e f die Werthe des Stromwendungs- und des Zusatzfeldes, dann ist of die Resultirende der letzteren zwei und 0 s die Resultirende von Oh₁ und of also stellt os dasjenige Feld mit der durch S₁ bestimmten Richtung dar, welches, durch eine Serienwicklung erregt, zugleich die Aufhebung des Ankerfeldes (Gegenstand der Patentschrift 105545), sowie die funkenlose Stromwendung und die Compoundirung (Gegenstände dieser Erfindung) bewirkt.

Die hier vorausgesetzte Ausführung des Feldmagneten, welcher rings um den Anker auch in der Bürstenzone einen geringen Luftabstand haben soll, hat zur Folge, dafs der Selbstinductionscoe'fricient, daher auch die elektromotorische Kraft der Stromumkehrung grofs sein wird. Man wird folglich ein starkes Wendefeld erzeugen müssen, d. h. die Compensation wird eine erhebliche Windungszahl erfordern.

Um diesem Uebelstande zu begegnen und die Compensation auch ökonomisch zu machen, wird Folgendes angewendet:

Am Feldmagneten, gegenüber der kurzgeschlossenen Ankerspule, wird eine geschlossene Wicklung, bestehend aus einer oder mehreren Windungen, angebracht. Fig. 5 zeigt diese Windungen in den Linien σ liegend. Auf die mit Gleichstrom erregten Felder sind diese geschlossenen Windungen ohne jede Einwirkung, hingegen üben sie auf den Kraftflufs, welcher durch die Stromwendung hervorgerufen wird, eine Rückwirkung aus. Sie setzen nämlich dem von der kurz geschlossenen Ankerspule ausgehenden, rasch wechselnden Kraftflusse einen Widerstand entgegen, verringern die Impedanz und folglich auch den Selbstinductionscoefficienten. Es wird daher das Umkehrungsfeld schwächer sein können, als es sonst der Fall gewesen wäre. Wenn nämlich 0 e (Fig. 4) einen kleinen Werth annehmen würde, dann wäre ί gröfser und of kleiner, d. h. man würde mit weniger Windungen die Funkenlosigkeit und die Spannungsregelung hervorbringen.

Anstatt für jede Bürste eine besondere geschlossene Windung 0- herzustellen, kann man diese Windungen auch unter einander verbinden (Fig. 5), und zwar die Windungen, ■welche vermöge ihrer Lage zwischen den Polen ungleichnamig sind, N S und SN, in welchem Falle es zweckmäfsig ist, dafs der Vorgang der Stromwendung unter den verschiedenen Bürsten coincidirend sei.

Wenn Wechselfelder vorhanden sind, wird man, um deren inducirende Wirkung auf die Windungen <r zu verhüten, die gleichnamigen Windungen N S mit N S und 5 N mit S N (Fig. 6) mit einander verbinden, in welchem Falle eine solche Bürstenstellung zweckmäfsig ist, bei welcher die Coincidenz nicht eintritt.

Völlig ähnlich wie bei den Gleichstrommaschinen mit Nebenschlufserregung sind auch die Verhältnisse bei rotirenden Umformern, bei denen der Gleichstrom aus ruhenden Bürsten von einem rotirenden Stromwender abgenommen wird. Auch hier wird vorausgesetzt, dafs der Feldmagnet in gleichmäfsigem Abstande um den Anker angeordnet ist. Anordnungen wie in 'der deutschen Patentschrift 76071 würden also aus den gleichen Gründen, wie oben angegeben, . ihren Zweck in keiner Weise erfüllen können. Fig. 7 ist das Diagramm für den Fall eines rotirenden Umformers mit gleichen Bezeichnungen wie früher. Auch hier kann das Compensationsfeld in geneigter Richtung zu β β angelegt werden, damit das inducirende Feld mit dem Ankerstrom zunehmen soll. In diesem Falle aber wird die Spannungsregelung mittelbar bewirkt, indem ·— nach der bekannten Methode — durchAenderung der Feldintensität eine Phasenverschiebung der Wechselströme verursacht wird, wobei letztere, auf die Linie zurückwirkend, die angelegte Spannung verändern kann.

Bei Gleichstrommaschinen mit ruhendem Anker und umlaufenden Feldmagneten und Bürsten wird die Compensationswicklung gleichfalls mit umlaufen, indem die .Erregerströme mittels Schleifringe zugeführt werden. Eine derartig ausgeführte Dynamomaschine gewinnt nun durch diese Anordnung an praktischer Bedeutung, weil die funkenlose Stromwendung ohne -Bürstenverstellung selbstthätig bewirkt wird.

Bei ruhenden Umformern, d. h. solchen, in deren stillstehender Magnetarmatur (vereinigter Feldmagnet und Anker) ein Drehfeld erzeugt wird, mit welchem synchron die Bürsten kreisen, wobei der Gleichstrom entweder bei kurz geschlossenen kreisenden Bürsten aus ruhenden Polklemmen oder aus den umlaufenden Bürsten selbst durch Schleifringe abgenommen wird, wird das Compensationsfeld ebenfalls ein Drehfeld mit synchronem Umlauf sein.

Fig. 8 zeigt das betreffende Diagramm, in welchem die Felder und Achsen in der Pfeilrichtung kreisend gedacht werden müssen. Weil bei diesen Apparaten wegen des geringen inneren Widerstandes der Spannungsabfall verschwindend ist, wurde hier beispielsweise die Compensation . blos für die Stromwendung vorgesehen, indem of in die Linie S β fallend dargestellt ist.

Fig. 9 zeigt ein Wicklungsschema für die Compensation eines dreiphasigen ruhenden Umformers mit kurz geschlossenen umlaufenden Bürsten. SS.... sind die dreiphasigen Erregerwicklungen zur Erzeugung des kreisenden Hauptfeldes NS in der Feldarmatur A. I, II, III sind die drei Phasenzuleitungen, und die Anschlufspunkte derselben an die Erregerwicklung sind mit i, 2 und 3 bezeichnet. S¹ S¹¹ S^nl sind die zugehörigen, gleichfalls dreiphasigen Compensationswindungen, welche entsprechend ihrem Zwecke die drei Phasenströme führen und ein von diesen, daher auch von dem gewonnenen Strome abhängiges umlaufendes Feld hervorbringen, das gegenüber dem durch die drei Phasenspannungen erregten umlaufenden Felde um eine halbe Poldistanz zurückbleibt.

Anstatt von den Hauptströmen durchfiossene Compensationswindungen auf der Feldarmatur anzubringen, kann man auch in die Zuleitungen einen Serientransformator einschalten, dessen Secundärspulen Dreiphasenspannungen in Abhängigkeit von den in I, II und III fliefsenden Strömen hervorbringen. Diese Spannungen werden an eine besondere Erregerwicklung oder auch selbst an die Haupterregerwicklung SS.... angelegt, und die Anschlufspunkte werden so gewählt, dafs ein Compensationsfeld von gewünschter Lage entsteht. Fig. 10 giebt die schematische Darstellung eines solchen Falles. I, II und III sind die drei Phasen-Zuleitungen, T ist der Dreiphasentransformator, dessen secundäre Spannungsspulen if¹ t- und t³ im Dreieck verkettet sind. Während die Anschlüsse der Hauptzuleitungen 1, 2 und 3 sind, werden die Sec'undärzuleitungen Γ IP und HI' in den Punkten 1', 2' und 3' an die Erregerwicklung angeschlossen, so dafs diese .ein kreisendes Feld mit der gewünschten Ver-, spätung gegenüber dem ersteren ^hervorrufen, welches überdies von der Stärke der in I, II und III zufliefsenden Ströme abhängt.

Claims (4)

Patent-Ansprüche:

1. Magnetwicklung für Gleichstrommaschinen mit aufgehobener Ankerrückwirkung und Umformer, deren Feldmagnete am ganzen Ankerumfang mit gleichem Luftzwischenraum ausgeführt sind, gekennzeichnet durch Anordnung einer bei Gleichstrommaschinen vom Hauptstrom, bei Umformern vom Armaturgleichstrom durchfiossenen Wicklung, welche ein Feld von veränderlicher Stärke und bestimmter Lage erzeugt, welches im Zusammenwirken mit einem durch Nebenschlufswickelung erregten Hauptfeld ein resultirendes Feld liefert, dessen Gröfse und Lage sich mit dem. Ankerstrom so verändert, dafs die eine Feldcomponente die zur funkenfreien Stromwendung nothwendige elektromotorische Kraft hervorbringt und die. andere bei Gleichstrommaschinen die Spannung abhängig von der Stärke des Ankerstroms regelt bezw. bei Umformern durch Aenderung der Phasen-' verschiebung der Ankerwechselströme und deren Rückwirkung, auf die Linie die Spannungsregelung bewirkt.

2. Ergänzung der Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anbringung geschlossener Windungen auf dem Feldmagneten gegenüber den durch die Bürsten kurzgeschlossenen Ankerspulen, zum Zwecke, durch Verminderung des scheinbaren Widerstandes des Wendungsstromkreises die Benutzung eines schwächeren Stromwendungsfeldes möglich zu machen.

3. Ausführung der Anordnung nach Anspruch ι für ruhende Umformer mit umlaufenden Bürsten, dadurch gekennzeichnet, dafs das von dem zugeführten Wechselstrom erzeugte kreisende Querfeld veränderlicher Stärke mit dem kreisenden Hauptfeld zusammen das resultirende Feld ergiebt.

4. Abänderung der Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dafs das kreisende Querfeld veränderlicher Stärke durch Anschlufs der secundären Windungen von Serientransformatoren an die ruhende Magnetwicklung hervorgebracht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.