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Elektrische Gleich- oder Wechselstrommaschine Die Erfindung betrifft
elektrische Gleich- oder Wechselstrommaschinen und insbesondere elektrische Maschinen
mit Kommutator.
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D'e Nachteile der gebräuchlichen, mit Schleifbürsten lii:;-rrnmerivaLrkenden
Kommutatoren sind allgemein bekannt. Urit"r anderem seien hier die hohen Herstellungskosten
von Y.ornnur<ü:o7r@en mit großer Segment ""ihl genannt, da dße einzelnen
Segmente
voneinander isoliert: und; mit einem sehr genauen Profil versehen sein müssen, damit
eine über die Segmente hinlaufende Bürste gleichzeitig Verbipdung mit,zwel oder
mehreren Segmenten herstellen kann. Ferner sind besondere Ankerkonstruktionen notwendig,
um die heaktanzspannung möglichst niedrig zu halten, was man durch eine kostspielige
Unterteilung der Ankerwicklung und durch niedrige Nutdurchflutungen zu erreichen
sucht, Selbst bei Anwendung dieser I-iaßnahmen ist es schwierig, ein genaues Gleichgewacht
zwischen der Kommutierungs-EMK und derjenigen LMK zu erzielen, welche durch die
Wendepole induziert wird, so daß oft Dürstenfeuer auftritt. Man hat bereits versucht,
die bei mechanischen Kommut atoren auftretenden Schwierigkeiten dadurch zu umgehen,
daß man den Kommutator durch steuerbare elektronische Schalter ersetzte, welche
den Ankerstrom in der Ankerwicklung der Reihe nach durch die verschiedenen Ankerstromzweige
fortschalteten. iüerfür eignen sieh besonders Festkörper-Schaltelemente wie steuerbare
Halbleiterventile oder Transistoren. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß eine
große Zahl solcher Schaltgeräte erforderlich ist, da für jeden Stromzweig in der
Ankerwicklung ein gesondertes Schaltgerät und in bestimmten Maschinen sogar mehrere
solcher Schaltgeräte erforderlich sind. Der Aufwaad für eine solche Konstruktion
ist "atierbeträchtlich.
Bei einer aus der US-Patentschrift 2 231
607 bekannten elektrischen Maschine ist ferner vorgesehen, Schaltgeräte
in Verbindung mit einer mechanischen Kommutatoranordnung einzusetzen, wobei
die KommutierunL" dadurch erfolgt, daß jeweils eines der verwendeten Schaltgeräte
eine Al-schaltung vornimmt, bevor die jeweils zugehörige Bürste ein Kommutatorseg!nen:.
verläßt, ^e) daß der K3m?nutator ins wesentlichen als eine nicht unter Last arbeitende
Verteilungseinrichtung wirkt. Aus der erwähnten Patentschrift ist es auch bekannt,
eine elektrische Maschine mit zwei getrennten Kjnmutatoren
| auszustatten, weic:ie @egeneineinier u:n eine :131::e K@ @cnuta@or- |
| teilung u#nfa:3gs:n .ßif_ 4 cr:.,et@#t sin:i u:id :r.it j ;omr.:ut-..
tor- |
| segmenten jeweils ahw@@c:tsehican @ut'f@in@:.#tderfol;enieit
An- |
| zapfun4;en der ^,nkerwic:rl ins aagesc:>il@:=::en sjnd. Jede
äer |
| i,nkerst;ro:n:-.ufiitii,u:ij,e:1 stet,.t rrit '#.e:: |
| ein Paar von Urs :en l n Ver' in dua;7;. ?w i sc_iea j- f2
iae für s te |
| und die zugeaör`_-e t:nkers ;ro:i3ufütirung ist ,@ewe ilc i
n |
| eiektroiiise:ies :-teuerbares Ventil gesc'-:-:l tet u:z,i die
Anordn-xi r |
| ist so getroffen, iaß das #ürstenpar, :c.-3lche; je einer |
| Ankc@rs`r:n^ufü:iraa- zu`eorchiet ist,entweder mit eine, |
| TI` zwei @i@s:eilz auf eine- er :gei der. |
| Ko^:r:ut:atc:#c:: gelegenen K::?rir:!ut.torr@@g@ne:aen verbindet.
Hierdurch |
| ist es mö@,lich, .:ur:. enz;sprec:.ende Ste-aerung Jer e? rin.--
rc:-is: :-:: |
| Ventile ein, Stromllcer`abe zwischen den einer Ankerstromzut'X-:r#ung |
| :-beordneten Bürs@.ei: da:ia vor::u:"eiiTen, wenn diese i^:
wesentlichen |
| voll den Kommu t at orsegmenter: der t e iden :.omn:ut at ,)ren |
| au flie;z J.i. |
Bei Maschinen dieser Art ergibt sich nun eine einzuhaltende Forderung
bezüglich der minimalen Breite der Isolationsstege zwischen den Kommutatorsegmenten
daraus, daß eine Bürste in ihrer Breite entsprechend dem über diese fließenden Ankerstrom
bemessen werden muß, daß ferner diese Bürste nicht zwei benachbarte Kommutatorsegmente
überbrücken darf und daß schließlich bei der verhältnismäßig geringen Segmentzahl
die Lamellenspannungen hoch sind und deswegen auch die Isolationsabstände vergrößert
werden müssen. Bei bekannten Maschinen kann diese Forderung dazu führen, daß der
Kommutatordurchmesser bei gleichbleibender Lamellenbreite über den Ankerdurchmesser
hinaus vergrößert werden muß. Eine solche Vergrößerung des Kommutatordurchmessers
kann bei bekannten Maschinen der hier betrachteten Art auch notwendig werden, um
bei einer vernünftigen Toleranz für die Steuerung der elektronischen Ventile sicherzustellen,
daß der üt:er eine Bürt-te fließende Ankerstrom ausgeschaltet wird, bevor ein Zwisc"enraum
zwischen einer Kommutatorlamelle und einer.: Tsolatjonssteg unter der Bürste hinwegläuft,
weil sonst Ungenauigkeiten der Kommutatorot-erfläche zu Bürstenfeuer und verstärktem.
Abtrarn(i führen. Durch die Erfindung soll demgemäß die ;Aufgabe gelöst werden,
elektrisele Iaschinen, weiche zwei Kommutatoren der zuvc:r angegehe :ien Art aufweisen,
mit kleinerem Kommutatordurchmesser
ausführen zu können, ohne daß
auch bei erhöhten Spannungen Bürstenfeuer auftritt.
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Die Erfindung geht zur Lösung dieser Aufgabe von einer elektrischen
Gleich- oder Wechselstrommaschine mit einer geschlossenen Ankerwicklung, von der
aus über die ganze Wicklung verteilte Anzapfungen jeweils abwechslungsweise zu den
Segmenten zweier Kommutatoren führen, ferner mit je einem jeweils einer Ankerklemme
zugeordnetem Paar von Bürstenanordnungen, welch letztere ihrerseits je einem der
beiden Kommutatoren zugeordnet sind und mit der zugehörigen Ankerklemme über je
ein steuerbares elektrisches Ventil in Verbindung stehen, wobei die Lage und Abmessung
je eines Paares von Bürstenanordnungen mit Bezug auf diese und auf die Kommutatoren
so gewählt ist, daß die Bürstenanordnungen eines Paares die zugehörige Ankerklemme
stets entweder mit einem Kommutatorsegment oder mit zwei, jeweils benachbarten Ankerwicklungsanzapfungen
zugeordneten Kommutatorsegmenten verbinden, sowie mit Einrichtungen zur Leitendschaltung
der elektronischen Ventile bei Kontaktaufnahme der jeweils zugehörigen Bürstenanordnung
mit einem Kommutatorsegment und zur Sperrung der elektronischen Ventile jeweils
vor Unterbrechung des Kontaktes zwischen der jeweils zugehörigen Bürstenanordnung
und einem Kommutatorsegment aus.
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Die angegebene Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jede Bürstenanordnung
wiederum aus einem Paar von Bürsten besteht,
wobei der Zwischenraum
zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten und auch deren Breite umfangsmäßig jeweils
zumindest gleich dem von einem Bürstenpaar überspannten Umfangsbereich sind.
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In der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird der über eine
Ankerklemme fließende Strom von zwei Paaren von Bürsten übernommen, so daß insgesamt
vier Bürsten den zu kommutierenden Strom der Reihe nach übernehmen, wobei jede einzelne
Bürste dem Gesamtstrom nur während eines Viertels der Zeit ausgesetzt ist. Jede
einzelne Bürste muß daher nur die halbe Breite gegenüber einer Bürste aufweisen,
welche für sich alleine vorgesehen ist. Da ferner die Kommutierung zwischen der
vorderen Bürste des einen Bürstenpaares und der hinteren Bürste des jeweils anderen
Bürstenpaares erfolgt, steht ein größerer Umfangsabschnitt für die Kommutierunk
zwischen den beiden Verbindungen zur Ankerklemme zur Verfügung.
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Um die Möglichkeit eines Lichtbogens oder eines Bürstenfeuers auszuschließen,
falls die Bürsten aufgrund eines Fehlers der Isolationsstege an den Enden der Kommutatorsegmente
gekippt oder angehoben werden, ist gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der
Erfindung die Anordnung so getroffen, daß eine Leitendschaltung jeweils eines der
elektronischen Ventile mittels der genannten Einrichtungen erst bei vollständiger
Auflage
einer Bürste des jeweils zugehörigen Bürstenpaares auf einem Kommutatorsegment erfolgt.
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Um die für die Schaltung der elektronischen Vuntile erforderlichen
Lösch-Gegenspannungen auch dann zuverlässig erzeugen zu können, wenn die Maschine
anläuft und durch Wendepole induzierte Löschspannungen nicht zur Verfügung; stehen,
sind zur Erzeugung einer auf die elektronischen Ventile während des Anlaufens der
Maschine einwirkenden Löseh-Gegenspannuci, -inric:ittin@;en vorgesehen, mittels
welchen
| in Stromkreisen eine ;I,,ciselsp-uiiiung induz ierbar ist,
welche |
| jeweils ein Paar von einem Aakerstroman:chlue ausgehender |
| Stromzuführungsleitungen und den Teil der ent- |
| halten, der iiä:irei-: ; es F:on;:_@.: te:- -ier :-a-ehöri
gen s3ärste :- |
| anoränung mit bei,!-3,i ;_;iesen |
| Stromz af@.@::ru:ysle i tua ,en 1 ie@--;t . |
| Die zur lii:iu:ierua,f, e:er ;v::@ :selspanaang |
| in Jen ;;e:ia: raten Strori':reis@:z @:?:zne:: die F)r7 -r?jis- |
| foI'.ratoreii hahen, ?ere:_ fri:när:ieitlti,en v ,n t: ;n@r
unabhängigen |
| 'esp:e j c'- s2-11 lind .#-'rf-' mit ,,vnr- |
| :,^.i;, dieser _.=t den |
| uni |
| eler:t=,@:ij:i: |
| eins c |
| Bei den s oeten kurz beschriebenen Ausführungsformen |
| der Erfindung hat jeder der beiden Kommutatoren bedeutend |
| weniger Sei;7ente als ein herkömmlicher Kommutator und jedes |
| dieser S(2gmente nimmt rit Bezug auf die Rotorachse einen |
| heträchtlichen ein. Die Kom;nutc-ilorsegmente können |
| entweder @i.uf' einer '@;;#linderm@ntelfläcize oder ^.n einer
Scheibe |
| ariEcoranct sF3in, :r@lc@ic auf der R-)torvrelle befestigt
ist. |
| Zur T@-reitstellur@@; der egenspannutlgen, welche dazu |
| #:in#ien, die :@t<@uer@;arc@i ele'.:tronisch:en Ventile
nichtleitend |
| -=*,..r, , ,* -i::ri,-en ver:-chiedene Einrichtungen |
| #rienn:@. Ei :e rc'-:"3n nnrrecieutete ::öglichkeit i;estetrt
darin, |
| en:;ep@@le @ci rw?i^: licaer Art vorzusehen, vrelche zwischen
den |
| .-IptL"@1@-ri rzer = _l@I;ic1#_lur. angeordnet sind. Eine andere |
| Jr. einer Verschiebung der Mittellinie |
| - ürsten t:zv:. der &us Dürrtenpaaren gebildeten |
| :.'ar:-te-:zs:.tzE @-r r:arc@-@ jic @i=-uptp@@le bestimmten
neutralen |
| sc ^a die steuerbaren elektronischen l"eritile durch |
| eine se ge:isp@.::ur_ @ii c:-ii-,lei f-:.d geschaltet werden,
welche mit |
| _:ilfe -;.er c:#rzeii#t wird. Es sei darauf |
| se .-r=nspannungen zur Ausschaltung der |
| .## e |
| `e.:a____"e:i . il.. irino. ger_r-a bec ,.tir.:.,rrter. Wert
haben müssen, |
| -.ro:zn sie ::ur Jrc,ß sind, u.-.n sic:erzustellen, daß eine |
| ausrF@-ichende Gege:i,r @rsp"rn-.jn,, -)-n den steuerbaren
elektronischen |
| "Frtilen auftritt, @@ #xeß diese in der gr:wünschtelt
' Weise |
nichtleitend geschaltet werden.
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Bei der praktischen Ausführung der Erfindung können die steuerbaren
elektronischen Ventile die Form von steuerbaren Halbleiterventilen, welche im folgenden
als Leistungstransistoren bezeichnet werden, oder ähnlichen Halbleitergeräten haben.
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Die Leitendschaltung der Entladungsgeräte wird zweckmäßig durch einen
Hilfskommutator erreicht, welcher an der Rotorwelle befestigt ist und mit auf ihm
schleifenden Bürsten zusammenwirkt, welche jeweils mit den Steuerelektroden der
Entladungsgeräte in Verbindung stehen. Elektrische Gleich- oder Weehselstrommaschinen
der kurz beschriebenen grundsätzlichen Ausführung sform können auch umgekehrt aufgebaut
sein, d.h., die Ankerwicklung kann an einem .Stator bzw. an einem äußeren, feststehenden
Maschinenteil angeordnet sein, während die Feldwicklung sich an einem Rotor bzw.
an einem inneren, umlaufenden Maschinenteil befindet. Es sei darauf hingewiesen,
daß diese Konstruktion besonders zweckmäßig ist, da angesichts der geringen Anzahl
der für jeden Kommutator erforderlichen Segmente der Aufbau der Ständerwicklung
und die Verbindung von dieser nach den beiden
Kommutatoren verhältnismäßig
einfach sind. In diesem Falle sind am Maschinenrotor die Feldwicklungen und die
Bürsten angeordnet und außerdem können sieh am Rotor die steuerbaren elektronischen
Entladungsgeräte befinden, welche über Schleifringe mit den Eingangsanschlüssen
verbunden sind.
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Ferner sei bemerkt, daß eine in der erfindungsgemäßen Weise aufgebaute
elektrische Maschine sowohl als Motor, als auch als Generator arbeiten kann. Gemäß
einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann aus den erfindungsgemäßen elektrischen
Maschinen ein Maschinensatz aufgebaut werden, welcher einen Generator enthält, der
elektrische Leistung an einen oder mehrere Motoren abgibt. Sowohl der Generator
als auch die Motoren sind, wie bereits gesagt, mit den oben angegebenen Merkmalen
der Erfindung ausgestattet. Der Generator besitzt Wendepole, mittels welchen die
Gegenspannungen erzeugt werden, welche zur Schaltung der dem Generator zugeordneten
steuerbaren elektronischen Entladungsgeräte in den nichtleitenden Zustand dienen.
Zwischen dem Generator und den Motoren ist eine Übertragungsschaltung vorgesehen,
mittels welcher die genannten Gegenspannungen auch den I1otoren zugeführt werden,
so daß vom Generator auch die zur Nichtleitend-Schaltung der steuerbaren elektronischen
Entladungsgeräte der Motoren erforderlichen Gegenspannungen bereitgestellt werden.
Durch diese Maßnahme erübrigt es sieh, die Motoren
mit Wendepolen
auszustatten, da die Gegenspannrangen durch die Wendepole des Generators induziert
werden. Außerdem kann eine zu geringe Stärke der 1rlotorwendepole durch eine entsprechende
Überfunktion der Generatorwendepole ausgeglichen werden.
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Da die von den Wendepolen des Generators erzeup^ten Spannungen, welche
im folgenden als LösctispannunGen bezeichnet werden, pulsierende pannungen sind,
kann die
| zwischen dem s :z@ir^.t;or und dem '!otor den Ectoren |
| i311ei'tragungssc@liltung |
| Transformatoren enthalten, deren PrinUrw.cklungen jeweils |
| zwischen zwei jew,.lila |
| geräte des @sen@@@ratcrr @;csezial`^t; sin#i, ;@;r-lche iiv
E",romweaJuaii@ |
| vornehmere. Die genann-#en |
| c |
| zap # auf, aar, in.. |
| Generators bilden. D " e :@ektin-iärwicklur#Se:l der Sei er.
Tra-ns- |
| formatoreTi sind eiilerseit!:z miteinanier und |
| 7wei :#hnlicien, den I:otor("n zu@eordnc t#@2 ,-: '@'rans°ormat
zrei: ver- |
| bunden, welch let-.ere in |
| P:'i;irärwicl#:_unen :nT':xe:: von ae:: S. c:z: |
| )) 1 1,. rt@) or en T.r» irer t i .a
r' |
| %i,., . ,i .,Z..," sind, @. |
| steu@@r., @lre @°ltlaciuasgerte des be t»effen,#en .:i'
ors |
| an welcrlen d- |
| -,gen der den |
Transformatoren weisen Mittelanzapfungen auf, welche jeweils den
Gleichstromeingang des betreffenden Motors bzw. der Motoren bilden.
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Die Tatsache, daß durch die Erfindung bedeutend ein-
fachere
Kommutatoren mit einer geringen Anzahl von Segmenten erreicht werden, ermöglicht
die Schaffung von in der, er.. findungsgemäßen Weise aufgebauten elektrischen
Maschinen in"Pfannkuchen"-Form. Eine derartige Maschine weist eine auf einem Rotor
angeordnete Ankerwicklung auf, welche die Form einer Anzahl voneinander getrennter
Spulen hat, deren Achsen mit Bezug auf den Rotor in radialer Richtung weisen und
welche derart miteinander verbunden sind, daß sie in ihrer Gesamtheit eine geschlossene
Wicklung ergeben./ Bei dieser Anordnung können die Spannungen zur Schaltung der
steuerbaren elektronischen Entladungsgeräte in den nichtleitenden Zustand mit Hilfe
einer Feldwicklung erzeugt werden, welche mit Polschuhen zusammenwirkt, die beim
Lauf des Rotors einen zwischen den Ankerspulen und den Polen der Feldwicklung wirksamen,
zunehmenden Luftspalt ergeben. Auf diese Weise nimmt der mit eitler Ankerßpule verkettete
Fluß zu, wenn sich diese Spule nach der Mitte des
betreffenden Feldpoles hin
bewegt und hierdurch wird in der Ankerspule eine Spannung induziert, welche zur
Kommutierung herangezogen wird.
Bei einer anderen, in "Pfannkuchen"-Form
aufgebauten elektrischen Maschine gemäß der Erfindung weist ein Rotor eine Ankerwicklung
in Form einzelner Spulen auf, welche derart am Rotor angeordnet sind, daß ihre Achsen
parallel zur Rotorachse des Ankers verlaufen und welche einen Durchmesser haben,
welcher bedeutend kleiner ist als der Ankerdurchmesser.
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Im folgenden wird die Erfindung durch die beispielsweise Beschreibung
einiger Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. In den Zeichnungen stellen dar: Fig. 1 eine schematisch dargestellte
Abwicklung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Doppelkommutator,
F_ig. 2 eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung in invertierter Bauweise,
Fig. 3 einen Schaltplan eines Maschinensatzes mit einem erfindungsgemäß aufgebauten
Generator und einem erfindungsgemäßen Motor, Fig. und 5 schematische Abbildungen
des Aufbaues
von Scheibenkommutatoren und zugehörigen Bürstenanordnungen,
Fig. 6 und 7 parallel und senkrecht zur Maschinenachse aufgenommene Ansichten einer
in "Pfannkuchen"-Bauvaeise aufgebauten erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
welche Ankerspulen mit radial zür Rotorachse ausgerichteten SpulenachSen aufweist,
und Fig. 8 und 9 parallel und senkrecht zur Maschinenachse aufgenommene Ansichten
einer in "Pfannkuchen"-Bauweise aufgebauten elektrischen i.iaschine gemäß der Erfindung,
welche Ankerspulen mit parallel zur Rotorachse verlaufender Spulenachse aufweist.
Die elektrische Maschine nach Fig. 1 hat eine 2-#ldwicklung üblicher Bauart in Form
von Feldpolen, von denen der Pol 83 dargestellt ist. außerdem sind Wendepole r54
vorgesehen. Die Maschine hat ferner eine herkömxr:licne Inker-CD 1 d.arwicklung.
Zwei der Ankerspulen 60 und 61 sind in dar-;estellt. Der Anker ist mit zwei Kommutatoren
62 und 63 ausgerüstet, von denen jeder aus vier Segmenten besteht, die
jeweils
ein Achtel des Umfan ges einnehmen und durch Abstandsstücke voneinander getrennt
sind, welche einen ebensolchen Umfangsteil einnehmen. Diese Konnutatoren sind ausschnittsweise
dargestellt und zwar sind in Fig. 2 von dem Kummutator 62 die Kommutatorsegmente
64 und 65 und das dazwischenliegende Abstandstück 66 und von dem Kommutator 63 das
Segment 67 mit den diesem benachbarten Abstandsstücken 68 und 69 dargestellt. Ferner
ist aus der Zeichnung ersichtlich, daß die Kommutatoren 62 und 63 derart mit Bezug
aufeinander ausgerichtet sind, daß in axialer Richtung ein Segment des einen Kommutators
mit einem Abstandsstück des jeweils anderen Kommutators fluchtet. Jeder der Ankerstromanschlüsse
ist jeweils mit einem der beiden Kommutatoren über je ein Paar Von Stromzuführungsleitungen
verbunden, welche jeweils in Bürsten enden und außerdem jeweils ein steuerbares
elektronisches -Entladungsgerät,- bzw. einen Leistungstransistor enthalten. Ein
AnkerstromanschluD 70 ist also über eine mit Mittelanzapfung versehene Wicklung
85 mit zwei Stromzuführungsleitungen 71 und 72 verbunden. Die Aufgabe der genannten
Wicklung 85 wird weiter unten noch erläutert. Die Stromzuführungsleitunö 71 enthält
einen Leist#.Lngstransistor T1 und endet in einem Bürstenpaar 73 und 74. Die Stromzuführungsleitung
72 enthält ihrerseits einen Leistungstransistor T2 und endet in einem Bürstenpaar
75 und 76. Der Abstand zwischen den Bürsten 73 und 74
des ersten
Bürstenpaares und in gleicher Weise der Abstand zwischen den Bürsten 75 und 76 des
zuletzt genannten Bürstenpaares ist gerade etwas kleiner als die Breite eines Kommutatorsegementes
bzw. eines Isolationszwischenstückes, so daß eine Stromzuführungsleitung nicht gleichzeitig
mit zwei Kommutatorsegmenten in Verbindung kommen kann. In der Zeichnung sind zwar
nur die Verbindungen von einem Ankerstromanschluß aus dargestellt, doch ist selbstverständlich
auf der gegenüberliegenden Seite des Ankers eine ähnliche, mit dem anderen Ankerstromanschluß
verbundene Anordnung vorgesehen. In Fig. 1 der Zeichnungen ist außerdem eine Einrichtung
zur Bereitstellung der Schaltimpulse für die Leistungstransistoren dargestellt.
Hierbei sind nur die Einrichtungen zur Lcitendschaltung des Leistungstransistors
T2 im einzelnen dargestellt und es sei darauf hingewiesen, daß'eine ähnliche Einrichtung
zur Leitendschaltung des Leistungstransistors T1 vorgesehen ist. Die genannten Einrichtungen
enthalten einen ailfskommutator 77, der mit vier leitenden Segmenten ausgestattet
ist, von denen eines bei 78 angedeutet ist. Die Kommutatorsegmente fluchten mit
den entsprechenden Segmenten des hommutators 63, haben jedoch geringere Breite.
Die Steuerelektro#le des Leistungstransistors T2 ist mit einem Bürstenpaar ?9 und
.^ t.Terbunden, welches auf dem Hilf skommutatör
77 aufliegt und
dessen Bürsten voneinander einen Abstand haben, welcher gerade etwas größer als
die Segmentbreite des Hauptkommutators ist. Fluchtend mit den Bürsten 79 und 80
des soeben genannten Bürstenpaares liegt außerdem ein weiteres Bürstenpaar 81 und
82 an dem Hilfskommutator 77 an. Die Bürsten 81 und 82 sind miteinander verbunden
und außerdem an eine Schaltimpulsquelle 86 angeschlossen. Durch den in Fig. 2 der
Zeichnungen eingezeichneten Abstand d wird festgelegt, wie weit die Bürste 76 auf
dem Kommutatorsegment 67 vorwärts wandern darf, bevor der Leistungstransistor T2
leitend geschaltet wird. Durch diesen Abstand wird also eine Verzögerung geschaffen,
durch welche sichergestellt wird, daß die Bürste 76 ungeachtet etwaiger geringer
Verschiedenheiten zwischen den Höhen der Segmente 67 und der Abstandsstücke 63 vollständig
in Berührung mit dem Kommutatorsegment 67 kommt, bevor ein Stromfluß zugelassen
wird. Der Minimalwert ` des Abstandes d ist die Breite b der Hauptbürste. Es ist
festzustellen, daß die oben beschriebene Anordnung für beide Drehrichtungen der
Maschine geeignet ist, da sie einen symmetrischen Aufbau aufweist.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise der Maschine während des Laufes
erläutert, wobei die in Fig. 1 der Zeichnungen dargestelzte
Bürstenstellung
und eine Ankerbewegung nach . links angenommen wird. Ferner sei angenommen, daß
der Leistungstransistor T1 bereits leitend geschaltet worden ist, so daß der Ankerstrom
über die Bürsten 73 und 74 und das Kommutatorsegment 64 in den Anker einfließen
und über ein ähnliches, dem Bürstenpaar 73 und 74 diametral gegenüberliegendes,
in der Zeichnung nicht dargestelltes, auf dem Kommutator 62 aufliegendes Bürstenpaar
wieder zurückfließen kann. Die elektrische Maschine arbeitet in der üblichen Weise
aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Strom in der :'.rikerwicklung einerseits
und dem durch die Hauptpole 63 der Feldwicklung erzeugten Magnetfeld andererseits.
Wenn sich der Kommutator mit Bezug auf die Bürsten nach links bewegt, so verläßt
die Bürste 74 das Kommutatorsegment 64 und liegt auf dem Abstandsstück 66 auf, doch
treten noch keine Veränderungen in der Stromverteilung innerhalb des Ankers auf,
da die Bürste 73 immer noch in Kontakt mit dem Kommutatorsegment 64 bleibt and nun
den gesamten Ankerstrom führt. Die Bürste 76 nimmt inzwischen Verbindung mit dem
Kommutatorsegment 67 des Kcmmutators 63 auf, doch führt diese Bürste noch keinen
Strom, da der Leistungstransistor T2 noch nicht leitend geschaltet ist. Zu einem
bestimmten Zeitpunkt schiebt sich das Segment 78 des Hilfskommutators 77 zwischen
die beiden an dem Hilfskommutator anliegenden Bürsten 79 und 81 und sobald dies
geschehen ist, wird der Leistungstransistor T2 aufgrund der Zuführung eines
Schaltimpulses
von dem Schaltimpulsgenerator 86 nach seiner Steuerelektrode leitend geschaltet.
Nun fließt zusätzlich zu dem Stromfluß über die auf dem Segment 64 des Kommutators
62 aufliegende Bürste 73 ein Teil des Ankerstromes über die Bürste 76 und das Segment
67 des Kommutators 63 nach der Ankerwicklung.
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Es hat sieh nun ein geschlossener Stromkreis gebildet, welcher die
beiden Stromzuführungsleitungen 71 und 72, die jeweils in deren Zuge liegenden Leistungstransistoren
T1 und T2, die beiden Kommutatorsegmente 64 und 67 der beiden. Kommutatoren und
denjenigen Teil 60 der Ankerwicklung umfaßt, welcher zwischen die genannten Kommutat3rsegmente
geschaltet ist. Mit Hilfe der Wendepole 84 wird in für Spule 60 der Ankerwicklung
eine Spannung induziert, welche als Gegenspannung an dem LeistunZstransistor T 1
auftritt und diesen in den nichtleitenden Zustand schaltet. Um ein Bürstenfeuer
zu verhindern, ist es notwendig, Saß die durch den Wendepol induzierte Spannung
groß genug ist, um den durch den Wistungstransistor T1 geleiteten Strom zu Null
Werden zu lassen, bevor die Bürste 73 das Kommutatorsegment 64 verläßt. Der Wondepol
muß daher nur so ausgelegt sein, daß er den rroltvek:inden-Grenzwert für die Korunutierung
bereitstellt t und braucht nicht, wie dies bei herkömmlichen lasch;nen
der
Fall ist, für ein genaues Gleichgewicht der Spannungen in der zu kommutierenden
Spule zu sorgen.
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Es ist festzustellen, daß die Kommutierung nicht
beginnt,
bevor die Bürste 76 vollständig auf dem Segment 67
aufliegt, und
keine der Bürsten muß in der bei herkömm-
lichen Kommutatoren
erforderlichen Weise gleichzeitig mit
zwei benachbarten Segmenten
Verbindung aufnehmen, so daß
bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine
geringe Unterschiede in der Profilhöhe zwischen den Segmenten
und den benachbarten
Abstandsstücken keine Schwierigkeiten
verursachen.
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Bei weiterer Drehung der Maschine wird zu gegebener Zeit der Leistungstransistor
T1 mittels eines Hilfskommutators leitend geschaltet, welcher genau so aufgebaut
ist wie der Hilfskommutator 77, worauf in der Ankerspule 61 die Stromwenduntvzrgenommen
und der Leistungstransistor T2 in den nichtleitenden Zustand geschaltet wird. Diese
Vorgänge wiederholen sich beim Lauf der Maschine fortwährend.
| -^i :Jer -,*r-en 'beschriebenen Ausführungsform der |
| @.-f@#1dun;@ @,@rc? die eigentliche Stromwendung ausschließlich |
| ~u@'C:. die #.'Er Leir,t'-in,--str,-iisistoren erreicht und |
geschieht nicht durch die Bürstenbewegung relativ zu den Kommutatorsegmenten.
Wenn außerdem eine Bürste von dem stromlosen in den stromführenden Zustand überwechselt,
indem ein Leistungstransistor leitend geschaltet wird,
so liegt
diese Bürste
stets vollständig auf nur einem Kommutatorsegment
auf und überbrückt in diesem
Augenblick
niemals ein
Kommutatorsegment
und ein benachbartes Abstandsstück.
Unter der Voraussetzung, daß die Kommutatoroberfläche wenigstens einigermaßen glatt
ist, treten die Schwierigkeiten einer unsicheren Kontaktgabe aufgrund von geringen
Höhenunterschieden des Oberflächenprofiles bei den erfindungsgemäßen Maschinen nicht
auf. Während bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung die Löschspannungen
zur Schaltung der Leistunöstransistoren in den nichtleitenden Zustand durch Wendepole
induziert werden, können gemäß einer anderen Ausfürirungsform der Erfindung die
Wendepole entfallen und dafür die Bürsten nach einer Seite hin aus der neutralen
Zone der Maschine heraus verschoben werden, so daß der durch die Hauptpole erzeugte
Hauptfluß der Maschine zur Kommutierung verwendet werden kann.
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Anstelle der Verwendung von Wendepolen können die
erforderlichen
Löschspannungen außerdem in der Wicklung 85 induziert werden, indem man diese Wicklungen
als Sekundärwicklungen eines Transformators ausbildet. Durch Zufuhr einer Wechselspannung
gentagender Höhe und geeigneter Frequenz nach den Wicklungen 85 können die zur Kommutierung
erforderlichen Löschspannungen für jede gewünschte Drehzahl erzeugt werden. Der
zugeführte Wechselstrom braucht keine sinusförmige Gestalt zu haben und kann beispielsweise
durch eine Wechselrichterschaltung von derselben Gleichstromquelle abgeleitet werden,
welche zur Speisung des Ankers dient. Anstelle einer Hilfs-Wechselstromquelle zur
Erregung der Wicklung 85 können diese Wicklungen auch dynamoelektrisch erregt werden,
indem sie in der 2.1ähe eines sich drehenden Elektromagneten oder Permanentmagneten
angeordnet werden.
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Hei Maschinen gemäß der Erfindung, welche einen Doppelkommutator mit
jeweils vier Segmenten aufweisen und deren Drehzahl n beträgt, muß die Drehzahl
des Magre ten )an betragen. Diese Anordnung ist besonders zweckmäßig, wo ein Gleichstromgenerator
über ein Untersetzlingsgetriebe mit dem Untersetzungsverhältnis 4 : 1 angetrieben
wird, da der Magnet in diesem Falle unmittelbar von der Eingangswelle des Getriebes
angetrieben werden kann. Wenn aufgrund der soeben angegebenen Maßnahmen die
Wendepole
84 entfallen, so steht innerhalb der erfindun-sgemäßen elektrischen Maschinen mehr
Platz zur Verfügung, so daß die Hauptpole einen größeren Raum einnehmen können.
In Fällen, in welchen die zur Kommutierung erforderliehen Spannungen mit@Hilfe von
Wendepolen oder durch Ausnutzung des Hauptpolflusses erzeugt werden, reichen diese
Spannungen nicht dazu aus, die Leistungstransistoren nichtleitend zu schalten und
eine ordnungsgemäße Kommutierung zu ermöglichen, wenn die betreffende Kaschine aus
dem Stillstand angelassen wird. Eine Maßnahme zur Sicherstellung einer ausreichenden
Löschspannung während des Anlassens besteht darin, den Anker von einer Wcchselstromquelle
herüber den Anker- . stromanschluB 70 und den entsprechenden, mit dem anderen Bürstensatz
verbundenen Ankerstromaiisehluß mit einem Wechselstrom zu erregen. Durch diese Schaltung
wird erreicht, daß die Leistungstransistoren in der gewünschten Weise bei Spannungsumkehr
der zugeführten Wechselspannung nichtleitend geschaltet i..-erden. Rin derartiges
Einlegen von Wechselspannung ist nur während des Anlassens erforderlic:-. Wenn die
?ereftstellung einer äußeren Wechselspannungsquel?e für ,a: Anlassen der Maschine
nicht erwünscht ist, kann auci: e;nc Hilfswechselspannung ausschließlich r:ätzrend
des A::lnsse:is in der Drosselspule 3.9 induziert werden, indem man diese @p:zlc@:
als Selcundärivict:-,L:üen von Transforma toren
ausbildet. Nimmt
bei einer derartigen Schaltung die Drehzahl der Maschine zu, so kommt die von den
Wendepolen erzeugte Kommutierungsspannung gleichzeitig mit der durch die Transformatoren
bereitgestellten Spannung zur Wirkung. Es kann vorkommen, daß diese Spannungen während
einer Halbwelle entgegengesetzt gerichtet sind. Wenn jedoch die Wendepolstärke doppelt
so groß gewählt ist, als für die Kommutierung in der zur Verfügung stehenden Zeit
in Abwesenheit der Wechselspannung notwendig wäre, so übertrifft die von
den Wendepolen induzierte Spannung stets die von den Transformatoren bereitgestellte
Spannung, so daß eine Störung der Kommutierung vermieden wird. Außerdem kann die
Sekundärwicklung der Transformatoren kurzgeschlossen und die Stromzuführung zu den
Primärwicklungen ausgeschaltet werden, sobald die Maschine einmal auf so hohe Drehzahl
gekommen ist, daß die durch die
Wendepole induzierte Spannung ausreicht.
Ein bemerkenswerter Vorteil einer in der erfindungsgemäßen !leise aufgebauten elektrischen
Maschine ist darin zu sehen, dafl der Durchmesser-der Kommutatoren bedeutend
kleiner
als bei bekannten Maschinen ist. Dies ist insbesondere bei der im Zusammenhang mit
Fig,. 1 der Zeichnungen besehriebenen elektrischen Maschine nach der Erfindung der
Fall, bei welcher die HUrsten 73, 74, 75 und 76 jeweils im Durchschnitt
während
eines Viertels der Gesamtzeit Strom führen und jeweils eine Breite von einem Viertel
der Breite eines Kommutatorsegmentes haben können. Dem würde bei einer bekannten
Maschine eine einzige Bürste entsprechen, welche ein Achtel des Kommutatorumfanges
überspannen würde, was jedoch aufgrund der großen Anzahl von Kommutatorsegmenten,
die von einer derartig breiten Bürste kurzgeschlossen würden, vollständig unmöglich
ist. Da die Gesamtbreite der gemäß FiG. 2 der Zeichnungen mit dem gleichen Ankerstromanschluß
verbundenen vier Bürsten breiter als die Bürstenbreite einer einzigen Bürste einer
herkömmlichen, für den gleichen Ankerstrom ausgelegten Maschine sein muß, braucht
die Segmentbreite bei den in der Maschine gemäß Fig. 1 der Zeichnungen zur Anwendung
kommenden Kommutatoren nicht größer als die für eine Bürste einer herkömmlichen
Maschine benötigte Breite zu sein. Da die Bürstenbreite bei einer herkömmlichen
Maschine beispielsweise ein Zwanzigstel des Kommutatorumfanges einnimmt, bedeutet
dies, daß der Durchmesser der Kommutatoren 62 und 63 bedeutend kleiner sein kann
als der Durchmesser eines herkömmlichen Kommutators für eine Maschine entsprechender
Auslegung, so daß bei gleicher Kommutator- bzw. Bürstenumfangsgeschwindlgkeit bedeutend
höhere Drehzahlen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine im Vergleich zu bekannten
Maschinen möglich sind.
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Da eine große Zahl von Unterteilungen der Ankerwicklung
nicht
notwendig ist, kann unter Anwendung des Erfindungsgedankens eine Maschine gebaut
werden, bei welcher der Kommutator außerhalb des Gehäuserahmens angeordnet ist,
da nur eine begrenzte Anzahl von Verbindungsleitungen nach der Ankerwicklung geführt
werden mu8. Der Kommutator kann dann in einem eigenen, abgedichteten Gehäuse untergebracht
werden und biegsam mit der Maschinenwelle verbunden sein, so daß er vor Erschütterungen
geschützt ist.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Belastung der Leistungstransistoren
bedeutend geringer ist als die Maschinenleistung. D3 jeder der Leistungstransistoren
sich nur während der Hälfte der Zeit in leitendem Zustand befindet, reicht es aus,
sie für eine Strombelastung in der Größe des halben Ankerstromes zu bemessen, während
die Aisleglang hinsichtlich der Spannung nur der größten, durch die Wendepole induzierten
Spannung oder der größten Kammutieruuigsspannung angeglichen werden muß, welche
selbstverständlich bedeutend kleiner als die Maschinenspannung ist. Ein weiterer
Vorteil einer erfind!.tn:sgemwß aufgebauten Maschine ist es, daB der Kommutator
nicht mehr die Größe der Ankerstreureaktanz begrenzt, so daß Hicklungen mit tieferer
Nutung und höhere Ankerdurc:@flutungen zugelassen werden können.
In
Fiß. 2 der Zeichnungen ist eine Gleichstrommaschine gemäß der Erfindung in umgekehrter
Bau%deise dargestellt. Auf dem Rotor 21 der Maschine sind Pole 22 und außerdem in
der Zeichnung nicht abgebildete Uendepole angeordnet, welche an Schleifringe 23
tpd 24 angeschlossen sind, die ihrerseits auf der Rotorwelle befestigt sind. Die
Stromzuführung zu den Schleifringen 23 und 24 erfolgt über Bürsten 25 und 26, welche
mit der positiven und der negativen Anschlußklemme der Maschine verbunden sind.
Der Ständer der Maschine weist Nuten 28 zur Aufnahme einer Ankerwicklung auf, 1,jeiche
jeweils mit den Segmenten zweier stillstehender Kommutatoren 29 und 30
verbunden
ist, so daß eine Se:ialtung entsteht, welche im Prinzip ähnlich aufgebaut ist wie
die in Pig. 1 der Zeichnungen abgebildete Schaltung, jedoch mit dem Untersc:iied,
daß im vorliegenden Falle die AnkerwicklunG und die Kommutatoren feststehend ausgebildet
sind. An der Welle des Rotors 21 sind Bürstensätze 31 und 32 befestigt, welche leitend
auf den Kommutatoren 29 und 30 aufliegen. Diese Bürstensätze drehen sich zusammen
mit dem Rotor und sind an die Schleifringe 23 und 24 angesctilosse:i. Außerdem sind
an dem Rotor die zur Ausfüiiran#- der K.)nnutierung notl*:eaiicli L@:,isturiTSLransistoren
angeordnet uni die Schlei ^ri-ige 21 und 24 einerseits und die genannten L,lrsteilsätze
andererseits geschaltet.
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Eine derartige nordnung ernös-3icit den Sau von
Gleichstrommaschinen
besonders großer Leistung. Erforderlichenfalls ist es auch möglich, die Ankerwicklung,
entweder unmittelbar über die in den Nuten 28 befindlichen Kupferleiter oder indirekt
über Rohre mit Flüssigkeit zu kühlen, was beispielsweise durch Rohre 33 erfolgen
kann, die sich durch das Statorjoch hindurch erstrecken. Die soeben :kurz beschriebene
Konstruktion macht sich den Vorteil der Erfindung zunutze, daß nur eine begrenzte
Anzahl von Verbindungsleitungen zwischen der Ständerwicklung und den Kommutatoren
erforderlich ist. In Fig. 3 der Zeichnungen ist das Schaltschema eines Generators
41 abgebildet, welcher einen Motor 42 speist.
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Der Generator 41 und der Motor 42 entsprechen in ihrem Aufbau der
in Fig. 2 der Zeichnungen abgebildeten erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Der Generator 41 weist eine geschlossene Ankerwicklung 43 auf,, deren Spulen in
abwechselnder Folge an die Segmente zweier, jeweils aus vier Segmenten bestehender
Kommutatoren 44 und 45 angeschlossen sind. Der Kummutator 44 wirkt mit zwei einander
diametral gegenüberstehenden Bürstenpaaren A und D zusammen, während auf dem Kommutator
45 ein die gleiche t1inkelstellung wie das Bürstenpaar A einnehmendes Bürstenpaar
E und ein weiteres, die gleiche Winkelstellung wie das Bürstenpaar D einnehmendes
Bürstenpaar G aufliegt. Die Fürsten des Bürstenpaares A sind einerseits miteinander
und andererseits unter Zwischenschaltung eines Leistungstransistors T1
mit
der Primärwicklung eines Transformators Cf, verbunden, während die Bürsten des Bürstenpaares
B einerseits miteinander und andererseits unter Zwischenschaltung eines Leistungstransistors
T2 mit dem jeweils anderen Anschluß der genannten Primärwicklung des Transformators
CT1 verbunden sind. Eine Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators CT1
ist an eine Ausgangsklemme r des Generators angeschlossen.
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In gleicher Weise sind die Bürsten des Bürstenpaares C einerseits
miteinander und andererseits unter Zwischenschaltung eines Leistungstransistors
T3 mit einem Anschluß der Primärwicklung eines weiteren Transformators CT2 verbunden
und die Bürsten des Bürstenpaares D sind einerseits miteinander und andererseits
unter Zwischenschaltung eines Leistungstransistors T4 mit dem jeweils anderen Anschluß
dieser zuletzt genannten Primärwicklung des Transformators CT2 verbunden. Eine Mittelanzapfung
des Transformators GT2 ist an die jeweils andere Ausgangsklemme r' der Maschine
angeschlossen. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren CTl und CT2 sind in Reihe
geschaltet und mit Klemmen p und p' verbunden. Im übrigen weist der Generator 41
eine herkömmliche Feldwicklung auf und besitzt Wendepole 46. Der Motor 42 ist genau
so aufgebaut wie der Generator 41. Die Eingangsanschlüsse s und s' des Motors werden
von den
Ausgangsklemmen r und r' des Generators her gespeist. Die
Eingangsanschlüsse s und s' sind mit Mittelanzapfungen der Sekundärwicklungen von
Transformatoren GT3 und GT4 verbunden. Die Endanschlüsse der Sekundärwicklung des
Transformators GT3 sind jeweils unter Zwischenschaltung von Leistungstransistoren
T'1 und T'2 an Bürstenpaare A' und B' angeschlossen, während die Endanschlüsse der
Sekundärwicklung des Transformators CT4 unter Zwischenschaltung von Leistungstransistoren
T'3 und T'4 mit Bürstenpaaren C' und D' verbunden sind, welche den soeben genannten
Bürstensätzen A' und B' diametral gegenüberliegen.
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Der Motor 42 weist keine Wendepole auf und die für die Schaltung der
Leistungstransistoren des Motors 42 in den nichtleitenden Zustand erforderlichen
Löschspannungen werden durch die Steuerspannungen gebildet, welche in den Transformatoren
CT1 und CT2 erzeugt werden und an den Klemmen p und p' auftreten, von wo aus die
Primärwicklungen der Transformatoren CT3 und CT4 gespeist werden. Während des Betriebes
des in Fig. 3 der Zeichnungen dargestellten Maschinensatzes arbeiten sowohl der
Generator 41 als auch der Motor 42 in der oben im Zusammenhang mit Fig. 1 der Zeichnungen
beschriebenen '"leise. Die Wendepolspannungen, welche mit Hilfe der Wendepole 46
zwischen den Stromzuführungsleitungen der auf den beiden Kommutat oren schleifenden
Bürsten induziert werden, werden über die Transformatoren CT1 und GT2
nach
dem Hilfsausgang p, p' des Generators ausgekoppelt und von dort über den Hilfseingang
q, q' des Motors den Transformatoren CT3 und CT4 zugefilhrt. Jedesmal, wenn zwischen
einem Leistungstransistorpaar ein Stromkreis zustande kommt, d.h., ein die beiden
Transistoren T'1 und T'2 oder die beiden Transistoren T'3 und T'4 umfassender Stromkreis
gebildet wird, kommt in-diesem Stromkreis eine von den zugehörigen Transformatoren
Cri bzw. CT4 bereitgestellte Steuerspannung zur Wirkung, welche als Gegenspannung
an dem jeweiligen Leistungstransistor anliegt und diesen in den nichtleitenden Zustand
schaltet, so daß eine ordnungsgemäße Kommutierung erreicht wird.
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Die oben beschriebene erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht es, daß
der Motor bei gleicher Leistung kleinere Abmessungen als der zugehörige Generator
hat, da nur kleinere oder überhaupt keine Wendepole im Motor benötigt werden.
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Ist andererseits der Motor 42 doch mit Wendepolen ausgestattet, so
dien die von dem Generator herbeigefÜhrte Steuerspannung
| zur Sicherstellung der ordnungsgemäßen Kommutierung beim |
| A>>1 @ssf@;;. D=e =#: der Schaltung vervrendeten Konnutierun;,s- |
| tra_nsj'2rmntoren brauchen nicht groß bemessen zu sein, da
die |
| Frequenz i:inen induzierte:: Steuerspannung hoc:: ist. |
| Lauft der renerator beispielsweise mit 1200 U,/min.,
soetr;Jt |
| die ?'i#ecuenz der Kommutierungsspaaaung 160 Hz. |
Während in Fig. 3 der Zeichnungen nur ein einziger, an den Gencrator
angeschlossener Motor dargestellt ist, kann selbstverständlich auch eine Anzahl
von Motoren zueinander parallelgeschaltet und von dem Generator gespeist werden.
Die Schaltung, durch welche sich WF,-ndepole in den Motoren erührigen, macht diese
Ausführungsform der i:rfindung besonders geeignet für dieselelektrische Antriebe.
| Ir sämtlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung, |
| bei ;relc:ien ',!e:1(:Apol e Verwendung finden, werden diese
zweck- |
| nicht in Serienschaltung, sondern in Parallel- |
| sch^1';ung -.etrieben. Hierdurch wird erreicht, daß immer die |
| ,Jolle rregiin der !endepole aufrechterhalten wird, so daß
' |
| die @@rf i n:".in ;sgcnäßeri ''Iaschinen bedeutend bessere
Eigen- |
| und ':!iedereinsehaltung als |
| rk,'r.7lic-e @lcic:.strornmasc-:inP:. au_°!@f:isen, r?a die
Wendepol- |
| @i@r::-.@ liti:zg stets zur Verfügung steh, während bei einer |
| :ier;#ör-^nlichen I"iäschine die Wendepoldurchflutung im Wieder- |
| ein.22:-:zlt^:oment des Stromes ausbleibt und sich im Verhältnis |
| zun ;:-_steiZen des Ankers tromes selbst |
| aufbaut. |
| Ir 21 .'er 7-ic?L-iu::gen sind gc@i.grete Konstruktionen |
| den i"c^i^:u";atcren gezeigt, welche in elektrischen |
| :a c: _; #:en ger.;ä3 'i .'rrf indung zur Ar-Z-rendung kommen.
Anstelle |
| Je^ e-e--_-äuchli c'_en trommelförmigen Kommutatoren werden |
Scheibenkommutatoren verwendet. In denjenigen Ausführungsformen
der -rfindun-;, t)ei welchen zwei l@,ommutatoren vorgesehen sind, werden diese zweckmäßig
auf gegenüberliegenci# Stirnseiten des Ankers angeordnet. In rig. 4 ist ein Anker
51 gezeigt, an dessen einander gegenüberliegenden Stirnseiten sich Scheibenkommutatoren
52 und 53 befinden. Jeder dieser Scheihenkommutatoren 52 und 53 besteht aus einer
Anzahl leitender Sektorelemente, welche auf beiden Seiten leitend sind. In Fig.
5 der Zeichnungen ist ein A@zsführun^sbeispiel für die Konstruktion der Bürstenhalter
dargestellt. Jeder einem Kommutator zugeordnete Bürstensatz 54 besteht aus einem
Paar federbelasteter Greiferarme 55 und 56, welche jeweils an ihren Enden die Bürsten
tragen. Die Greiferarme 55 und 56 sind derart angeordnet, daß sie mit Bezug auf
die f.,laschinenachse im wesentlichen in radialer Richtung weisen. Radiale Stöße
können daher die Kontaktverhältnisse zwischen den Bürsten und den Kommutatoren nicht
beeinflussen, während axiale Stöße zwar den Druck der an dem einen Greiferarm befindlichen
Bürste gegen den Kommutator verringern, gleichzeitig jedoch den Druck der an dem
Ende des anderen Greiferarmes befindlichen Bürste gegen den Kommutator vergrößern.
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Im folgenden sei auf die Fig. 6 und 7 der Zeichnungen
Bezug
genommen. In diesen Zeichnungenist eine neuartige Bauweise für eine elektrische
rleichstror:r!aschine dargestellt, deren :",tnker 121 eine Anzea1 von Spulen 122
aufweist, welche auf zahnartige Vorsprünge 123 gewickelt sind, die sich mit Bezug
auf den Anker in radialer Richtung erstrecken. Bei der in der Zeichnung gezeigten
Maschine sind acht derartige Spulen vorgesehen, welche zu einer geschlossenen 'Wicklung
zusammengeschaltet sind.
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Der Anker 121 trägt zwei scheibenförmige Kommutatoren 124 und 125,
welche auf gegenüberliegenden Stirnseiten des Ankers angeordnet sind und jeweils
vier sektorförnige Segmente aufweisen. Diese Segmente sind jeweils mit den
Verbindungsleitungen zwischen jeweils zwei benachbarten Ankerspulen 121 verbunden,
wobei aufeinanderfclgende Verbindungsleitungen jeweils in abwechselnder Folge einmal
an den einen und einmal an den anderen Kommutator angeschlossen sind. Die Segmente
des einen Kommutators sind mit Bezug auf die Segmente des anderen Kommutators versetzt.
-
Jeder der Kommutatoren wirkt mit zwei Bürstenpaaren zusammen. So ist
dem Kommutator 124 das Bürstenpaar 126 und 127, dessen Bürsten nicht weiter voneinander
entfernt
| sind als die ?reite eines einzelnen Kommutatorse#-men'.es, |
| und außerdem ein ebensolches, dem Bürstenpaar 126 und 127 |
| diametral gegenüberlie;en#es Bürstenpaar 128 und 129 zuge- |
| ordnet. Die Bürsten jedes Bürstenpaares sind unmittelbar mit- |
| einander verbunden, die Bürsten 126 und 127 stehen |
| mitein:uider in @r(.,rllinlunr und in gleicher Weise sind auch |
| die Bürsten 123 un:? 1.i29 zusimmenseschaltet. Dem Komnutator
125 |
| ist eine ähnliche Anordnung aus zwei Bürstenpaaren zugeordnet, |
| welche in ent:-pr("caendcn Stellungen #)efinde:ä. |
| W ' e genauer aua F ig. i der '-ichnungen ersichtlich ist, |
| sind dir Mrsten des 3,I^steizp?ares 126 @.tnß 127 un #;er Z%...'_
sc'1e;1- |
| schaltunr cines ?:eistuaatrpnsi@@ois T1 mit der positiven |
| Ansclil#"iß,:lem?e ei;ier ileichstro^iquclle verbunden, wälir^n;?
die |
| Dürsten des @ürstp:ipanres 1:'-2 iLnd E'? unter ?i@;
schenschaltun;, |
| eines 7,71 mit der ne@at ixen A:iscS:? u3klpmne |
| =iiere=# t:r i ##e^buriden sir.#.;. In Blei c:ier .,: is#: |
| 71 |
| ist untor eines |
| eine Verbindung z:@ sc::@@n e:iem aürstenpaar de:- Kinnttatirs
125 nach |
| der der ileic :s+-ro:nklerTie herze;tellt, |
| W 'Viren! d:#:- a:i1,#re :.;ir@t@@araar :lese=
ror.^utator!- über einen |
| heistun;,sti@t:s; scor T4 :ml`; 3e^ n° ;sti@#e:: Anschlußkle:nne
-:er |
| gena-ri ten Zur yrlguterunc |
| vier ei :e :@l@ichstr@r"^@e'_le dargestellt, |
doch kann selbstverständlich eine beliebige, in einer Richtung
gepolte Speisespannung, beispielsweise eine, einer Halbwellengleichrichtung unterzogene
Wechselspannung, angelegt werden.
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Die Steuerelektroden der Leistungstransistoren sind jeweils mit Bürsten
verbunden, welche auf einem Hilfs-Scheibenkommutator aufliegen, der auf derselben
Welle wie der Anker der Maschine befestigt ist. Dieser Hilfskommutator bewirkt die
Leitendschaltung der Leistungstransistoren T1 und T3 über die zugehörigen Steuerelektroden,
sobald die Mittellinie zwischen den Bürsten 126 und 127 (und gleichzeitig auch die
Mittellinie zwischen den Bürsten 128 und 129) die Karte eines Kommutatorsegmentes
erreicht. Bei einer Drehung des Ankers mit Bezug auf die in Fig. 6 der Zeichnungen
gezeigte Lage im Uhrzei@ersinn geschieht dies in der abgebildeten Ankerstellung.
Bei einer Schaltung der Leistungstransistoren T1 und TZ in den leitenden Zustand
verläuft der StromfluB von der positiven Anschlußklemme der Gleichstromquelle über
den Leistungstransistor T1, die Eürste 126 und das darunter befindliche Segment
des Kommutators 124 und von hier aus durch die Ankerspule 122 nach der Bürste 129
zum Leistungstransistor T3 und von da zurück zu der negativen
Anschlußklemme
der Gleichstromquelle. Im Anker der Maschine wird in der bekannten Weise durch Wechselwirkung
zwischen den Strömen in den A_ikerspulen 122 und dem durch die Feldpole 130 und
131 erzeugten Magnetfeld ein Drehmoment erzeugt. Wenn sich der Anker um ein weiteres
Achtel einer Umdrehung vorwärtsbewegt hat, so liegen nun mit Bezug auf die dem Kommutator
125 zugeordneten Bürsten die gleichen Verhältnisse vor und die Anordnung ist so
getroffen, daß in diesem Augenblick die Leistungstransistoren T2 und T leitend geschaltet
werden.
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Zur Erreichung der Kommutierung muß nun die leitende Verbindung nach
dem Kommutator 124 hin unterbrochen werden und dies wird durch Schaltung der Leistungstransistoren
T1 und T3 in den nichtleitenden Zustand vermittels einer auf sie wirkenden Gegenspannung
erreicht. Bei der in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellten Maschine war diese Geöenspannung
durch Wendepole induziert worden. Demgegenüber wird die Gegenspannung bei dem vorliegend
beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch erzeugt, daß der Luftspalt
zwischen den Feldpolen 130 und 131 der Maschine und den Ankerzähnen 123 derart veränderlich
ist, daß der mit einer Ankerspule 122 verkettete Fluß zunimmt, wenn sich diese Ankerspule
nach der Mitte der Feldpole hin bewegt. Hierdurch wird in
der Spule
eine Spannung induziert, welche in dem aus den gleichzeitig leitenden Leistungstransistoren
^1 T2 und T3, 'T4 gebildeten Stromkreis zur Wirkung kommt und die Leistungstransistoren
T1 und T3 nidltleitend schaltet.
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Ein besonderer Vorteil der in den Fig. 6 und 7 der Zeichnungen gezeigten
Anordnung ist das besonders kleine Verhältnis der Maschinenlänge zum Durchmesser
und die außerordentlich gedrängte Bauweise. Außerdem ermöglicht diese Konstruktion
den Bau von Maschinen mit hohem Drehmoment bei niedriger Drehzahl.
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In den Fig. 9 und 9 der Zeichnungen ist eire Breitere Ausführungsform
der elektrischen Maschine nach der Arfindung dargestellt, welche einen Anker 140
aufweist, welcher acht kurze Querjoche 132 trägt. Diese sind symmetrisch um die
Rotorwelle angeordnet und verlaufen parallel zu Ihr. Um die Joche 132 sind Spulen
gewickelt, welche derart miteinander verbunden sind, :iaß in der f erei ts im Zusammenhang
mit ?i g. 6 und Fig. 7 der Zeichnungen erläuterten ,eise eine geschlossene Wicklung
gebildet wird. Der Anker trägt außerdem zwei Scheicenkommutatoren, die ,jeweils
mit zwei Bürstenpaaren zuEa#.^.menwirken, die in der ebenfalls bereits im Zusammen_heng
mit den Fig. 6 und 7 der Zeichnungen beschriebenen :Meise unter Zwischenschaltung
von Leistungstransistoren mit den Anschlußklemmen
einer Gleichstromquelle
verbunden sind. D:*,e Feldpole der elektrischen Maschine nach der. Fig: 8 und 9
der Zeichnungen
weisen U-förmige Schenkel 136 und 137 auf, die jeweils Wicklungen
138 und 139 tragen und eine ähnliche Feldverteilung erzeugen wie die Anordnung gemäß
den Fig. 6 und 7 der Zeichnungen.
| Die erfindunrsgemäße Maschine nach den Fig. 8 und 9 |
| hat die -lei ehe ',.-.'i r'.f#_Lngswei se wie die oben beschriebene |
| erfindungsgemäße Maschine nach den rig. 6 und 7 Tier Zeic:"nun;en. |
| Aus obigem ergibt sich, daß nur ein geringer Teil ies i";n;#.erz, |
| aus ferromagnetisclie^ ::,iteri ^1 gefertigt zu sein brauc"t
u:id |
| daß die ele',c"trisclien und magnetischen Kreise besonders
en- |
| miteinunder gekoppelt sind. |