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Schaltung und Anordnung der Bürsten von elektrischen Maschinen zur
Verbesserung der Kommutierung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung und
Anordnung der Bürsten von elektrischen Maschinen zur Verbesserung der Kommutierung,
bei denen jede einzelne Bürste in unabhängig voneinander bewegliche Teilbürsten,
die in Richtung des Kommutatorumfangs nebeneinander angeordnet sind, aufgeteilt
ist, so daß eine Bürstengruppe entsteht, und bei denen ferner mehrere Bürstengruppen
je Polarität über Sammelringe parallel geschaltet sind und zwischen den Sammelringen
Widerstände vorgesehen sind, an deren die Widerstände in zwei gleiche Teile aufteilende
Mittelanzapfung das Netz angeschlossen ist.
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Die Belastbarkeit von Gleichstrommaschinen wird vielfach durch das
Kommutierungsfeuer unter den Bürsten begrenzt, das von der bei der Drehung des Ankers
entstehenden Spannung zwischen den kommutierenden Ankerwindungen abhängt. Letztere
ist eine Differenzspannung, die sich hauptsächlich aus der Stromwendespannung und
einer durch das Wendefeld erzeugten Gegenspannung zusammensetzt. Nur selten läßt
sich jedoch die Differenzspannung auf den Wert Null bringen, insbesondere wenn die
Maschine im magnetischen Sättigungsbereich arbeitet. Ist der Maschinenstrom kein
reiner, sondern ein mit Wechselstrom überlagerter Gleichstrom (Mischstrom), so kommen
weitere Schwierigkeiten hinzu. In den Ankerwindungen treten hier außer Gleich-Spannungen
auch transformatorische und vor allem durch die Stromwendung erzeugte drehzahlabhängige
Wechselspannungen auf, die sich durch ein pulsierendes Wendefeld meist nur sehr
unvollkommen aufheben lassen, da die dem Gleichstrom überlagerten Wechselströme
im Anker und in der Wendefeldwicklung stark unterschiedliche Phasenverschiebungen
haben.
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Ein solcher Fall liegt z. B. bei nach der Art von Gleichstrommaschinen
gebauten Motoren vor, die über Gleichrichter aus Wechselstromnetzen gespeist werden
und mit einem Strom starker Welligkeit arbeiten müssen, wenn sich Glättungsdrosselspulen
aus Gewichtsgründen oder wegen schädlicher Rückwirkungen auf das Primärnetz nicht
in der erforderlichen Größe verwenden lassen. Die unerwünschten Differenzspannungen
zwischen den Ankerwindungen in der Kommutierungszone und damit zwischen den unter
den Bürsten befindlichen Stromwenderstegen könnten dann hauptsächlich wegen der
zu hohen unausgeglichenen Stromwendespannungen beachtliche Werte erreichen.
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Es ist bereits eine Schaltanordnung zur Verminderung der Kommutatorabmessungen
von Wechsel-Strom- und Drehstrom-Kommutatormaschinen bekannt, bei der durch die
isolierte Anordnung der Teilbürsten jeder Gruppe in getrennten Bürstenhaltertaschen
und durch die elektrische Bemessung der Stromteilerkreise stets für gleich große
Kontaktwiderstände der Bürsten und für eine Arbeitsstromverteilung gesorgt wird,
bei der die Ströme in den Bürstengruppen gleiche Größe und Phasenlage sowie den
gleichen Kurvenverlauf haben, um schädliche Rückwirkungen auf die Kontakte zu verhindern.
Bekannt ist auch eine Bürstenanordnung, bei der die Teilbürsten nicht radial angebracht
sind, sondern Anstellwinkel aufweisen, die in umgekehrter Richtung über den Idealwert
weit hinausgehen. Das ist genau so schädlich, wie eine parallele Anordnung der Teilbürsten.
Ferner ist hier der Druckhebel derart ausgeführt bzw. angeordnet, daß sich sein
auf dem Kopf der Bürste aufliegendes Druckstück auf einem Kreisbogen bewegt, wenn
die Bürste infolge ihrer Abnutzung kürzer wird. Hierdurch entsteht ein Kippmoment,
das die Kontaktverhältnisse an der Bürstenlauffläche verschlechtert.
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Bei einer an sich bekannten Schaltanordnung zur Verminderung der Kommutatorabmessungen
von Wechselstrom- und Drehstrom-Kommutatormaschinen werden von induktiven Stromteilern
die einzelnen der Anzahl der Teilbürsten entsprechende Stromteilerkreise widerstandsfähig
so bemessen, daß die jeweiligen Ströme in den Bürstengruppen stets gleiche Größe
haben. Diese Schaltanordnung bezweckt eine
Verminderung der Kommlitatorabmessungen
von Wechselstrommaschinen durch Erhöhung der transformatorischen Lamellenspannung
oder durch Umgruppierung der je Bürstenhalter benötigten Bürsten, jedoch nicht eine
Verminderung der Stromwendespannung. Letztere kann nicht gesenkt werden, da die
hierzu unentbehrlichen Maßnahmen fehlen, wie a) Radialstellung der Teilbürsten,
b) Verwendung von Druckhebelanordnungen, die kein Kippmoment, also keine wesentlichen
Seitenkräfte, sondern möglichst nur senkrechte zur Bürstenfläche gerichtete Druckkräfte
auf den Bürstenkopf wirken lassen, c) Erhöhung des spezifischen Bürstendruckes mit
abnehmender Breite der Teilbürsten im Gegensatz zu dem sonst üblichen konstanten
Wert des spezifischen Druckes.
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Bei Wechselstrom ist eine verhältnismäßig starke Funkenbildung ohne
Gefährdung des Betriebes zulässig, da die Kurzschlußströme Wechselströme sind, also
ständig durch Null gehen, wobei die Lichtbögen periodisch erlöschen und die Lichtbogenstrecken
immer wieder entionisiert werden. Dagegen kann sich bei Gleichstrommaschinen, vor
allem auch im Betrieb mit Mischstrom, schon ein sehr geringes Anfangsfeuer zu Rundfeuer
verstärken, das zu Überschlägen und Betriebsstörungen führt. Daher müssen die Kurzschlußströme
bei Gleichstrommaschinen wesentlich stärker begrenzt werden. Hierzu reicht aber
die Wirkung der in den an sich bekannten Schaltanordnungen angegebenen Maßnahmen
allein nicht aus. Sie gestatten zwar eine ausreichende Begrenzung der Differenzströme
zwischen den Teilbürsten. Es verbleiben aber die sich direkt über die Bürstenlaufflächen
schließenden Ströme, die man als Querströme der Bürsten bezeichnet. Sie sind von
der Querspannung und damit von der aus der Zahl der Teilbürsten sich ergebenden
Bürstenbreite abhängig.
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Bei Wechselstrommaschinen genügt im allgemeinen eine Aufteilung der
Vollbürsten in zwei Teilbürsten. Dagegen muß die Querspannung bei Gleichstrommaschinen
stärker vermindert werden.
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Um eine gute Kommutierung an Gleichstrommaschinen zu erhalten und
die Maschinen bei erhöhter Betriebssicherheit besser ausnutzen zu können, ist es
daher wesentlich, die Stromwendespannung weitgehend zu senken, gleichgültig, ob
sie von der Kommutierung eines oberwellenfreien Gleichstromes oder eines überlagerten
Wechselstromes herrührt. Das ist möglich, wenn man durch Vermehrung der Bürstenkontaktpunkte
die Kommutierungszone ohne Vergrößerung der gesamten Bürstenlauffläche so verbreitert,
daß sich der zu kommutierende Strom auf mehr Ankerwicklungen verteilt als bisher
und die Stromwendezeit wesentlich verlängert wird.
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Der Erreichung dieses Zieles bei Gleichstrommaschinen dienen erfindungsgemäß
mehrere gleichzeitig durchgeführte Maßnahmen, und zwar durch a) die Verwendung von
Bürstenhaltern für die Teilbürsten, deren Druckorgan bei beliebiger Bürstenhöhe
jeweils eine in Richtung der Bürstenachse fallende Druckkraft ausübt, wobei die
einzelne Teilbürste in weitere Unterteilbürsten aufspaltbar ist, b) die radiale
Anordnung der Teilbürsten, c) die Wahl eines gegenüber einer Vollbürste höheren
spezifischen Bürstendruckes, der um so höher sein muß, je größer die Anzahl der
verwendeten Teilbürsten ist.
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Somit wird für die gleichzeitige Anwendung der Merkmale a), b) und
c) Patentschutz beantragt. Für die Ansprüche 2 bis 6 wird nur Schutz in Verbindung
mit Anspruch 1 beansprucht. Jede Teilbürste ist in zwei Unterteilbürsten aufgegliedert,
so daß jede einzelne Vollbürste in wenigstens vier Unterteilbürsten aufgeteilt ist.
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An Hand der Figuren wird der Erfindungsgegenstand näher beschrieben
und erläutert. Des besseren Verständnisses wegen sei von den elektrischen Verhältnissen
ausgegangen, die bei Verwendung der normalen, in F i g. 1 dargestellten Vollbürste
vorliegen.
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Die Bürste b hat bei Gleichstrommaschinen meist eine verhältnismäßig
große Breite, die jedoch für die übertragung der Arbeitsströme zu den Stegen des
Stromwenders s nur zu einem kleinen Teil ausgenutzt wird. Wegen des Kippens der
Bürste beim Lauf drängen sich die vom Bürstenanschluß, der z. B. ein Druckfingerkontakt
d sei, ausgehenden Stromfäden in der dargestellten Weise an den wenigen Kontaktstellen
der Bürstenlauffläche einseitig zusammen: Die Folge davon ist, daß sich die Kommutierung
des Arbeitsstromes in einer nur geringen Zahl von Ankerspulen und in verkürzter
Zeit vollziehen muß, wodurch die Stromwendespannung entsprechend hoch wird. Ebenso
ungünstig wie Vollbürsten verhalten sich Schichtbürsten entsprechender Gesamtbreite,
deren Kohleplatten durch Klebung mechanisch miteinander verbunden sind.
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Die Zahl der Kontaktstellen nimmt zu, wenn man die Vollbürsten in
mehrere mechanisch getrennte Teilbürsten auflöst. Jedoch genügt die Maßnahme allein
noch nicht, wie das Beispiel einer Bürstenanordnung nach F i g. 2 zeigt. Hier ist
eine aus den Teilen bi und b2 bestehende Bürste dargestellt, die als »Zwillingsbürste«
bekannt ist. Die gegeneinander nicht isolierten und mechanisch nicht verbundenen
Teilbürsten werden in einer gemeinsamen Halter-Lasche t parallel geführt, wobei
man zwar gegenüber der Vollbürste eine etwas günstigere Stromverteilung, aber noch
keine ausreichende Verbreiterung der Kommutierungszone erhält. Dieser Mangel wird
durch ein ungleichmäßiges Kippen der Teilblrsten verursacht. Wegen der Rundung des
Stromwenders, der hier der Deutlichkeit halber mit verkürztem Radius dargestellt
ist, werden die von der Reibung zwischen Bürste und Stromwender herrührenden Kippkräfte
durch die parallel zur Bürstenkontakt$äche verlaufende Komponente der Druckkraft
bei der anlaufenden Teilbürste bi gemildert und bei der ablaufenden Bürste b2 verstärkt.
Hierdurch ergeben sich starke Größenunterschiede zwischen den wirksamen Kontaktflächen
der Teilbürsten und eine ungenügende Kontaktflächenausnutzung. Die Verhältnisse
können sich weiter verschlechtern, wenn durch einen gemeinsamen Druckfinger d zusätzliche
Kipp-
momente auf die Teilbürsten übertragen und voneinander unabhängige Bewegungen
der Bürsten in der Haltertasche verhindert werden.
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Die genannten Mängel lassen sich durch" eine Bürsten- und Halteranordnung
nach F i g. 3 beträchtlich verringern. Die gegenüber einer Vollbirsste in
ihrer
Breite entsprechend verminderten Teilbürsten b1 und b> sind hier in eigenen Haltertaschen
radial geführt und besitzen getrennte Druckorgane dl und d2, die auf die Bürstenlaufflächen
nur senkrechte Kräfte übertragen. Bei dieser Anordnung können sich die Teilbürsten
jederzeit unabhängig voneinander bewegen, sich gleichmäßig zur Stromwenderlaufbahn
einstellen und auf die erhöhte Zahl von Kontaktpunkten gleiche Drücke übertragen.
Hierdurch werden die Kontaktflächen besser ausgenutzt, und die Teilbürsten haben
unabhängig von der Drehrichtung des Stromwenders stets gleiche Kontaktwiderstände.
Damit verteilt sich der zu kommutierende Gesamtstrom auf eine größere Zahl von Stromwenderstegen
und Ankerspulen, die Kommutierungszeit wird länger, und die Stromwendespannung sinkt.
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Die gewünschte Wirkung nimmt mit der Zahl der Teilbürsten zu, in die
man die Vollbürste ohne Vergrößerung der Gesamtbreite auflöst. In F i g. 4 ist eine
Anordnung mit vier Bürsten angegeben, von denen je zwei in einer gemeinsamen Haltertasche
untergebracht und parallel geführt sind. Das hat hier nicht so ungleichmäßige Kontaktwiderstände
zur Folge wie bei der Ausführung nach F i g. 2, da sich die Kontaktfläche der einzelnen
Teilbürste mit abnehmender Bürstenbreite dem Stromwenderradius besser anpaßt. Hinzu
kommt, daß sich ein Kippen der Bürste auf Änderungen der Kontaktwiderstände an der
Bürstenlauffläche um so weniger auswirkt, je schmäler die Bürste ist. Damit die
in einer Haltertasche befindlichen Teilbürsten gleiche Drücke erhalten, sind die
Druckstücke dl und d2 gelenkig ausgeführt.
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Noch vollkommener ist die angestrebte Wirkung bei einer Anordnung
nach F i g. 5, wo jede Teilbürste (6l, b." b3, b4) radial ausgerichtet ist
und ein eigenes, von anderen Bürsten unabhängiges Druckorgan besitzt. Letzteres
muß, wie bereits erwähnt, so ausgebildet sein, daß nur senkrecht zur Bürstenlauffläche
gerichtete gleich große Kräfte unter Vermeidung schädlicher Kippmomente übertragen
werden, damit die Kontaktfläche jeder Teilbürste für die Stromübertragung voll ausgenutzt
werden kann.
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Um die Verhältnisse deutlicher zu machen, zeigt die F i g. 6 die Prinzipskizze
eines Druckhebels h, der den obengenannten Bedingungen nicht genügt, da sich sein
auf dem Kopf der Bürste b aufliegendes Druckstück d auf einem Kreisbogen bewegt,
wenn die Bürste infolge ihrer Abnutzung kürzer wird. Bei starrer Ausführung des
Druckhebels entfernt sich dann der Auflagepunkt des Druckstückes von der Bürstenmittellinie.
Führt man den Druckhebel in seinem gekrümmten Teil federnd aus und fixiert man das
Druckstück durch eine Hohlkehle im Bürstenkopf, so entsteht ein Seitenschub. In
beiden Fällen entsteht ein Kippmoment, das die Kontaktverhältnisse an der Bürstenlauffläche
verschlechtert.
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Die F i g. 7 und 8 zeigen Druckhebelausführungen, mit denen sich die
genannten Mängel weitgehend dadurch beseitigen lassen, daß ein Gelenkarm g eingefügt
und zusätzlich der Drehpunkt p des Hebels h verschiebbar gemacht wird, wobei der
Gelenkarm g der Anordnung nach F i g. 8 die zur Verstellung des Drehpunktes notwendigen
Kräfte vom Bürstenkopf fernhält. Eine weitere Ausführung, bei der durch eine in
der Bürstenmittellinie geführte Druckstange nur Kräfte übertragen werden, die kein
schädliches Kippmoment erzeugen, zeigt die F i g. 9. Um gute Kontaktverhältnisse
zu erreichen, muß schließlich bei der Wahl der Bürstendrücke berücksichtigt werden,
daß die Reibung zwischen der Bürste und den Wänden der Haltertasche einen Teil der
Druckkraft aufzehrt. Da der Kraftverlust von der Bürstenbreite fast unabhängig ist,
wird der spezifische Druck mit abnehmender Bürstenbreite, also mit wachsender Zahl
der Teilbürsten, im Gegensatz zu der sonst üblichen Anwendung eines auf die Bürstenfläche
bezogenen konstanten Druckes erhöht.
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Die Teilbürsten haben in bezug auf den Stromwenderumfang unterschiedliches
elektrisches Potential. Damit die Differenzspannungen keine die Kontaktflächen und
die Ankerwicklungen zusätzlich belastenden Ausgleichsströme verursachen, sind die
Haltemaschen durch die in F i g. 3 bis 5 angegebenen Isolierwände i elektrisch getrennt.
Ferner sind in den Speiseleitungen der Teilbürsten Widerstände zur Strombegrenzung
angeordnet, deren grundsätzliche Schaltung bei Verwendung von Doppelbürsten die
F i g. 10 zeigt. Hierin bedeuten R und D Widerstände, H die Hauptpol- und
W die Wendefeldwicklung.
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Um die Widerstände außerhalb der Maschine unterbringen zu können,
sind jeweils die Teilbürsten gleichen Potentials aller Halter einer Polarität über
einen Sammelring zu einer Bürstengruppe zusammengeschlossen und mit gemeinsamen
Widerständen verbunden. Bei Maschinen für oberwellenfreien Gleichstrom sind nur
ohmsche Widerstände R vorhanden. Sie können verhältnismäßig klein sein, wenn man
armaturlose Bürsten verwendet und auf diese Weise den Kontaktwiderstand zwischen
Bürstenkopf und stromführendem Druckstück zur Begrenzung von Ausgleichströmen ausnutzt.
Handelt es sich um eine Maschine mit oberwellenhaltigem Gleichstrom, so werden zusätzlich
Drosselspulen D angeschlossen, die man zweckmäßig auf einem gemeinsamen Eisenkern
anordnet und als Stromteiler ausbildet. Ihr induktiver Widerstand ist für die zwischen
benachbarten Teilbürsten vorhandenen Wechselspannungen bemessen, die von den überlagerten
Oberwellenströmen der Maschine transformatorisch oder infolge der Stromwendung erzeugt
und durch die Wendefeldspannung nicht kompensiert werden.
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F i g. 11 zeigt die Schaltung der Widerstände je Polarität für Bürstenhalter
mit Vierfachbürsten gemäß F i g. 5. Auch hier sind bei Maschinen für oberwellenfreien
Gleichstrom nur ohmsche Widerstände und bei Maschinen für oberwellenhaltigen Gleichstrom
zusätzlich induktive Begrenzungswiderstände Dl und D2 vorhanden. Werden letztere
als Stromteiler ausgebildet, so erhalten sie wegen ihrer Reihenschaltung unterschiedliche
Widerstandswerte, die den Abständen und damit den Wechselspannungen zwischen den
Teilbürsten angepaßt sind. Wenn die Teilbürsten sämtlich gleiche Abstände haben,
sind die Wicklungen Dl = 2 D2 zu machen, damit in jeder Teilbürstengruppe gleich
große Wechselströme fließen. Für die in Parallelschaltung angeordneten ohmschen
Widerstände gilt bei reinen Gleichstrommaschinen die Beziehung R1 = R2. Bei Maschinen
für oberwellenhaltigen Gleichstrom mit induktiven Widerständen in Stromteilerbauart
haben die Wicklungszweige unterschiedliche Gleichstromwiderstände. Daher werden
die Widerstände R1 und R2 hier verschieden groß gemacht und so bemessen, daß der
Stromzweig jeder Bürstengruppe vom Verteilungspunkt 0 an gemessen den gleichen ohmschen
Gesamtwiderstand
hat, um eine ungleichmäßige Verteilung des Ankerstromes
auf die Teilbürsten zu verhindern.