DE153041C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

M 153041 KLASSE 21 d.

Die Erfindung betrifft einen Wechselstrommotor für Einphasenstrom, dessen feststehendem Teil der Strom durch einen Kommutator mit rotierenden, besonders angetriebenen . Bürsten zugeführt. wird, während der rotierende Teil, der die mechanische Arbeit hergeben soll, den Strom durch Schleifringe erhält. Der feste Teil wird im folgenden als Stator, der rotierende als Rotor bezeichnet.

ίο Schickt man. einen Gleichstrom oder Wechselstrom durch zwei in Reihe oder parallel geschaltete Spulen, welche drehbar zueinander angeordnet sind, so erfolgt eine solche einmalige Drehung, daß der Strom in beiden am Ende der Bewegung in gleicher Richtung verläuft; verwendet man Wechselstrom, so ändert sich die Stromrichtung in beiden Spulen gleichzeitig, bei Reihenschaltung immer, bei Parallelschaltung dann, wenn keine Phasetwerschiebung vorhanden ist. Sobald die Drehung so weit fortgeschritten ist, daß die Stromrichtungen in beiden Spulen gleich sind, tritt Ruhezustand ein. Derartige Anordnungen werden z. B. in Wechselstrom-Wattmetern benutzt. Eine fortgesetzte Drehung der einen Spule um die andere läßt sich jedoch nicht erreichen, da die erzeugten pulsierenden Magnetfelder immer nur in einer Richtung bleiben.

Bei dem hier beschriebenen Motor soll nun die Drehung des Feldes einer feststehenden Spule dadurch erreicht werden, daß man sie kreisförmig anordnet, mit einem Kommutator ausrüstet und auf diesem Bürsten schleifen läßt, welche durch eine besondere Vorrichtung im gewünschten Sinne gedreht werden und den Strom zuführen. Die räumliche Lage des Feldes richtet sich dann nach der jeweiligen Bürstenstellung; die Feldrichtung (von Pol zu Pol) liegt in der Verbindungslinie der Drähte, denen der Strom durch die Bürsten zunächst zugeführt wird, ebenso wie das von einem Gleichstromanker erzeugte Änkerfeld. Die Statorwicklung kann als zwei- oder mehrpolige Ring- oder Trommelwicklung ausgeführt werden. Je nach der Schaltung der Wicklungsteile sind ein oder mehrere Bürstenpaare anzuordnen; in dieser Beziehung verhält sich die feststehende Wicklung genau wie diejenige eines Gleichstromankers mit Reihen- oder Parallelschaltung.

Der¹ zweiten Spule, dem Rotor, führt man Strom durch Schleifringe zu; dieser Strom bewirkt in der . oben beschriebenen Weise eine Drehung, da Stator- und Rotorfeld sich zu decken suchen; da . das Statorfeld selbst sich dreht, wird dann auch der Rotor in dauernde Umdrehung versetzt, indem er vom primären Feld mitgenommen wird. Theoretisch kann man die beiden Wicklungen in Reihe oder parallel schalten; da sich indessen praktisch im Nebenschluß schwer die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung vermeiden läßt, so wird sich für die Ausführung meist Reihenschaltung empfehlen und soll daher im folgenden vorausgesetzt werden. Selbstverständlich kann auch die Rotorwicklung mehr als zweipolig ausgeführt werden.

Es könnte zunächst scheinen, als ob der hier beschriebene Motor eine einfache Umkehrung der Anordnung des bekannten

Wcchselstromkommutatormotors wäre, bei welchem der Kommutator umläuft, die Bürsten aber feststehen. Eine nähere Überlegung zeigt indessen, daß dies durchaus nicht der Fall ist; eine Umkehrung würde nur dann vorliegen, wenn die Arbeitsweise des neuen Motors dieselbe wäre wie die der bekannten Anordnung. Bei dieser befinden sich die Bürsten in einer bestimmten Stellung

ίο zum Felde und diese Stellung bleibt dauernd erhalten; wollte man diese Anordnung umkehren, so müßte man die Bürsten mit der Feldwicklung mechanisch verbinden; beide gemeinsam würden dann durch die auftretenden Drehmomente in Drehung versetzt werden, und die Beziehungen zwischen Stator und Rotor blieben dieselben wie bei den Motoren, bei welchen der Kommutator umläuft. Die entwickelte Geschwindigkeit hinge wie bei diesen von der Belastung und der Klemmenspannung ab, und es läge tatsächlich eine einfache Umkehrung vor. Einen anderen Zweck verfolgt der hier behandelte Motor mit besonders angetriebenen Bürsten.

Diese sollen nicht an der sich drehenden Wicklung befestigt und von ihr mitgenommen, sondern unabhängig von derselben durch einen besonderen Antrieb gedreht werden, zu dem Zweck, die Motorgeschwindigkeit bei konstanter Klemmenspannung in weiten Grenzen beliebig verändern zu können. Die Bürsten sind also verschiebbar gegen den Rotor angebracht, woraus sich die im nachfolgenden geschilderte Wirkungsweise ergibt.

Bei dem Reihenschlußmotor für Gleichstrom wie für Wechselstrom ist die Geschwindigkeit ausschließlich durch die Klemmenspannung und Belastung bestimmt, denn mit steigender Belastung muß die elektromoto-

.40 rische Gegenkraft geringer werden, und da diese von dem Magnetismus und der Geschwindigkeit abhängt, der erstere aber, infolge Anwachsens des Stromes stärker wird, muß die letztere sinken. Die genannten Faktoren hängen also durchaus voneinander ab. Bei dem hier beschriebenen Motor läßt sich dagegen der resultierende Magnetismus und damit die Geschwindigkeit dadurch beeinflussen, daß man die resultierende Windungszahl ändert, indent man die Bürsten dem Rotor um ein bestimmtes Maß in bezug auf eine Mittelstellung vor- oder nacheilen läßt. Fig. 4 zeigt die Beziehungen in graphischer Darstellung. A stellt das von der Kommutatorwicklung bei bestimmter Stromstärke erzeugte Feld dar; seine Richtung im Raum hängt von der Bürstenstellung ab. F ist das vom Rotor erzeugte Feld, α der Winkel, um den Feld A voreilt. Ist der magnetische Widerstand ■ im Motor bei jeder beliebigen Stellung von Rotor und Bürsten der gleiche, wie das bei einem aus Blechringen bestehenden Stator und Rotor der Fall ist (gewöhnliche Drehstromkonstruktion), so entsteht unbedingt ein Feld R in der Riehtung der Resultierenden des Feldparallelogrammes. Es ist . ohne weiteres ersichtlich, daß bei gegebener Größe des Feldes A und F, d. h. bei bestimmter Stromstärke, da die Windungszahlen jedes Feldes durch die Konstruktion gegeben sind, R sehr verschiedene Werte und Richtungen annehmen kann, je nachdem das Bürstenfeld A mehr oder weniger dem Rotorfeld voreilt. Dadurch aber, daß der resultierende Magnetismus bei gleichem Strome ganz verschiedene oder bei verschiedenen Strömen gleiche Werte annehmen kann, ist die Möglichkeit geschaffen, dem Motor bestimmte Tourenzahlen zu erteilen, die in sehr weiten Grenzen unabhängig von der Klemmenspannung sind. Beträgt der Winkel der Voreilung 90 °, so erhält man dieselben Verhältnisse wie beim gewöhnlichen Kommutatormotor. Ist a < 90⁰, so wachsen die resultierenden Windungen: bei gleichbleibendem Drehmoment muß der Strom mindestens die frühere Höhe behalten; damit wächst der resultierende Magnetismus und die Geschwindigkeit muß abnehmen. Hierzu kommt außerdem, daß die Verstärkung des resultierenden Magnetismus die Selbstinduktion steigert, wodurch die Abnahme der Geschwindigkeit noch vermehrt wird. Das Umgekehrte tritt ein, wenn man a > 90⁰ macht, indem jetzt die resultierende Windungszahl abnimmt.

Zu bemerken ist noch, daß eine derartige Geschwindigkeitsregelung, wie sie hier vorgesehen ist, sich auch an den Motoren mit laufendem Kommutator vornehmen läßt, indem man die Bürsten von Hand verstellt. Der wesentliche Unterschied ist aber der, daß diese Verstellung bei dem vorliegenden Motor mit besonders angetriebenen Bürsten selbsttätig geschieht, indem der Winkel α bei konstanter Bürstengeschwindigkeit sich von selbst vergrößert oder verkleinert, je nachdem das erforderliche Drehmoment sich ändert. In jenem Falle bewirkt aber die Veränderung der Drehmomente sofort eine Änderung der Geschwindigkeit des Motors, während bei dem neuen Motor unter Konstanthaltung der Tourenzahl das Drehmoment durch die selbsttätige Bürstenverstellung vergrößert oder verringert wird.

Selbstverständlich sind die Grenzen für die Vergrößerung des Drehmoments bei bestimmter Geschwindigkeit nicht ganz beliebige, sondern hängen von den Konstruktionsdaten ab; sie sind aber sehr weit. Die Anordnung des Kommutators auf der außenliegenden Statorwicklung bringt für Wechselstrommotoren

den besonderen Vorteil mit sich, daß man sehr viele Lamellen anwenden kann, so daß das Funken leichter in zulässigen Grenzen gehalten werden kann als bei umlaufendem Kommutator, der einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser erhalten muß.

' Bemerkt sei, daß die Bürstenverschiebung auch dazu benutzt werden kann, den Motor auf funkenlosen Gang einzustellen, wie das

ίο ja von den Gleichstrommotoren her bekannt ist. Weil der ganze Eisenkörper ringförmig gebaut ist, erreicht man diese Einstellung natürlich viel besser und leichter.

Ein weiterer Vorteil der Konstruktion liegt darin, daß die Phasenverschiebung zwischen der im Stator induzierten gegenelektromotorischen Kraft und dem Strom durch den Winkel α beeinflußt werden kann, wodurch auch die primäre Phasenverschiebung zwischen Netzstrom und Spannung verändert wird. Aus Fig. 4 geht hervor, daß das Pulsieren des Feldes R in der Statorwicklung eine E. M. K. erzeugt, welche in der Phase um 90⁰ gegen R zurückbleibt und eine Erhöhung der Selbstinduktion zur Folge hat, solange der Winkel ε zwischen R und A < 90⁰ ist; sobald aber A ΐ > 9o° wird, läßt das Pulsieren des Feldes den Anker wie eine Kapazität wirken, die mit der Selbstinduktion des Motors in Reihe geschaltet ist. Es ist bekannt, daß dadurch die Phasenverschiebung in günstigem Sinne beeinflußt wird. Man kann demnach für jedes Drehmoment die Geschwindigkeit auf geringste Phasenverschiebung einstellen, da, wie gezeigt, der Winkel 0. beide beeinflußt. Diese Einstellbarkeit des Winkels α ermöglicht außerdem unter anderem die Anlaßvorrichtungen außerhalb des Motors auf ein geringes Maß zu beschränken. Für α = ο erhält man größte resultierende Windungszahl und daher größte Selbstinduktion, man braucht daher beim Anlaufen nur einen geringeren Teil der Spannung abzudrosseln, als bei dem gewöhnlichen Motor, indem man den Winkel a beim Anlaufen = ο macht. Im übrigen erfolgt die Regulierung der Stromstärke in bekannter Weise durch Veränderung" der zugeführten Spannung mittels Zusatztransformatoren oder vorgeschalteter Widerstände.

Die Verschiebbarkeit der Bürsten gegen die Rotorwicklung darf aber keine beliebige sein, wie aus der folgenden Darstellung hervorgeht. In Fig. 5 stellt Pfeil A das Feld der Bürsten, Pfeil F das des Rotors in einer momentanen Verschiebung von 90° (elektrisch gesprochen) dar. Da die Stromrichtung im Stator und Rotor gleichzeitig wechselt, so bleibt die Drehrichtung des Rotors so lange dieselbe, als die Pfeilspitze F auf derselben Seite des Pfeiles A liegt. Bewegen die Bürsten das Feld A in der Richtung des Pfeils r, so folgt der Rotor in derselben Richtung nach. Sobald aber die Pfeilspitze A auf die andere Seite des Pfeils F gerät (Fig. 6), tritt augenblicklich ein entgegengesetztes Drehmoment auf; der Motor wird gebremst. Im praktischen Betriebe wäre dies natürlich nicht zu vermeiden und damit würde die Verwendung des Motors wegen der auftretenden Stöße unmöglich sein. Die Bürsten müssen deshalb verhindert werden, sich schneller zu drehen als das Rotorfeld, was in einfacher Weise durch einen am Bürstenhalter und am Rotor befestigten Anschlag (Fig. 2) geschehen kann, der nur eine gegenseitige Verschiebung von der Größe eines Polabstandes gestattet. Ist das Feld zweipolig, so darf die Verschiebung höchstens i8o° betragen, bei vier Polen 90⁰ usw. Dadurch wird dann vermieden, daß zeitweise ein entgegengesetztes Drehmoment auftritt.

Die konstruktive Ausführung wird sich im wesentlichen nach der beiliegenden Zeichnung (Fig. ι bis 3) zu richten haben. Der Rotor ist zusammen mit vier Schleifringen auf der Achse befestigt. Durch feststehende Bürsten wird der Strom mittels Schleifring 1 der Rotorwicklung zugeführt, durchläuft diese, gelangt nach Ring 3, von dem er durch eine bewegliche Bürste abgenommen und der Statorwicklung zugeführt wird. Von dieser nimmt ihn eine weitere bewegliche Bürste wieder ab und leitet ihn nach Ring 4, welcher mit Ring 2 elektrisch verbunden ist. Durch die auf Ring 2 schleifende feststehende Bürste tritt er in die Leitung zurück. Der die Bürsten 3 und 4 tragende Halter ist drehbar auf der Achse angeordnet und wird durch einen besonderen Motor angetrieben (in der Zeichnung Fig. 3 nur durch das Zahnrad Z angedeutet). Die Bürsten 3 und 4 schleifen also gleichzeitig auf der Kommutatorwicklung und zwei Schleifringen des Rotors; die Schleiffläche des Kommutators liegt daher innen. Das Wesen der Erfindung wird jedoch durch diese Ausführung nicht berührt.

Claims (3)

Pate nt-An Sprüche:

1. Einphasiger Wechselstrommotor, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Teil eine Kommutatorwicklung (Trommel·- ' oder Ringwicklung) erhält, auf welcher durch einen besonderen Motor angetriebene Bürsten schleifen, welche den Strom zuführen, während der Läuferwicklung der Strom, durch Schleifringe und feststehende Bürsten zugeführt wird, zum Zwecke, die Geschwindigkeit in weiten Grenzen unabhängig von der Belastung regeln zu können.

2. Ausführungsform des Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die beweglichen Bürsten sich höchstens um den Abstand zweier benachbarter Pole gegen den Läufer verschieben können, um zu verhindern, daß das Feld des Ständers sich schneller dreht als das Feld des Läufers.

3. Ausführungsform des Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den vier Schleifringen des Läufers zwei auf der einen Stirnseite des Läufers angeordnet sind, welche den Leitungsstrom durch feststehende Bürsten erhalten, während die beiden anderen auf der anderen Stirnseite den Strom an die beweglichen , auf einem besonders angetriebenen Halter befestigten Bürsten abgeben, welche ihn der feststehenden Kommutatorwicklung zuführen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.