DE179460C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

-' M 179460 KLASSE 21 d. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 8. November 1904 ab.

In der Patentschrift 178053 ist u. a. ein Gleichstromerzeuger mit zwei annähernd um eine halbe Polteilung versetzten Feldern von gleicher Polzahl beschrieben und seine Anwendung als umkehrbarer Gleichstromerzeuger mit Selbstregelung erklärt.

Ein durch irgend eine Stromquelle gespeistes Primärfeld erzeugt dabei im Anker, dessen entsprechender Bürstensatz kurzgeschlossen ist, ein Querfeld,· das auf die Ankerwicklung, die noch mit einem zweiten Bürstensatze ausgerüstet ist, induzierend wirkt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Sekundärfeld nicht durch eine Verbindung zwischen Stromabnahmestellen der Gleichstromwicklung, sondern durch eine auf dem Dynamoanker befindliche Wechselstromwicklung, am besten eine Mehrphasenwicklung erzeugt.

Ein in einer Wechselstromwicklung eines Ankers fließender Strom erzeugt ein sekundäres Feld, dessen Verschiebung gegen das Primärfeld durch die Phasenverschiebung des Stromes bedingt ist. Wäre der Strom reiner Wattstrom, so würde die Verschiebung +. 90 ° betragen, je nachdem, ob die Maschine als Stromerzeuger oder Motor arbeitet. Wattloser nacheilender Strom erzeugt beim Stromerzeuger eine Feldverschiebung von 180 °, wattloser voreilender Strom von o°. Man kann daher durch entsprechende Wahl des Widerstandes,, der Selbstinduktion und der Kapazität der Wechselstromwicklung eine beliebige Verschiebung des gewünschten Sekundärfeldes gegen das primäre hervorrufen,

-Die Wechselstromwicklung kann auf Wunsch als Arbeitswicklung benutzt werden, von welcher mittels Schleifringen und Bürsten der Strom an Nutzwiderstände oder ein Netz abgegeben bezw. von einem Netze aufgenommen wird, oder sie kann als Kurzschlußwicklung aus beliebigem Materiale mit dem entsprechenden Betrage des Widerstandes ausgeführt werden. Der erste Fall ist in Fig. 1 dargestellt. Von der Wechselstromwicklung W führen Ableitungen zu den Schleifringen s s s, auf denen Bürsten b b b schleifen, die an den Widerstand R angeschlossen sind. In Fig. 1 ist die Wicklung dreiphasig angenommen. Eine auf dem Anker befindliche Gleichstromwicklung G hat als Stromabnahmestellen die Bürsten B B, die annähernd ν in der Achse des durch die Spulen F erregten Primärfeldes liegen, das die Magnetschenkel M M, die Polschuhe P P, das Joch / und den Anker durchsetzt. Das Magnetsystem kann natürlich beliebige andere räumliche Gestaltung haben. Es kann insbesondere die Wicklung F in Nuten der Polschuhe P P untergebracht sein. Die Wicklung F ist nach Fig. 1 an die Ankerbürsten B B angeschlossen, sie könnte aber auch mit irgend einer anderen Stromquelle verbunden. sein.

Fig. 2 zeigt eine Kurzschlußwicklung W₁ an Stelle der früheren Wicklung W, ist aber im übrigen mit Fig. 1 identisch.

In den Fig. 3 bis 5 sind schematisch die Richtungen der Felder angedeutet, welche bei den betrachteten Maschinen auftreten. Man kann, wie. erwähnt, durch entsprechende Wahl der Widerstands-, Induktions- und Kapazitäts-

(2. Auflage, ausgegeben am 13. April igog.J

Verhältnisse das von der Wechselstromwicklung erzeugte sekundäre Feld gegen das primäre um einen beliebigen Winkel verschieben. In Fig. 3 ist der Winkel zwischen Primärfeld OI und Sekundärfeld O II ein stumpfer, in Fig. 4 der Winkel zwischen O Γ und O II' ein spitzer, in Fig. 5 der Winkel zwischen O I" und OII" ein rechter. Auf eine Ankerwicklung mit Stromabnahmestellen B B, welche in der Achse des Primärfeldes liegt, wirkt induzierend nur die zu dieser Achse senkrechte Komponente des Sekundärfeldes, die andere Komponente schwächt (Fig. 3) oder verstärkt (Fig. 4) das Primärfeld.

Durch den Gleichstrom mit den Stromabnahmestellen B B wird ein tertiäres Feld O III bezw. OIII' bezw. OIII" erzeugt, das bei genau achsialer Anordnung der Bürsten B B dem primären Felde genau entgegengerichtet ist (Fig. 3 bis 5). Man kann die Wirkung natürlich ein wenig dadurch verändern, daß man die Bürsten B B nicht genau in die Achse des Primärfeldes setzt, sondern dagegen verschiebt. Unter Voraussetzung gleichbleibenden Wider-Standes der Wechselstromwicklung und gleichbleibender Antriebsgeschwindigkeit wird einem Anwachsen des Gleichstromes und des dadurch erzeugten Tertiärfeldes eine Abnahme des Wechselstromes und des Sekundärfeldes, daher auch der Gleichstromspannung entsprechen, selbst wenn das Primärfeld fremd erregt ist. Bei Nebenschlußerregung, wie in Fig. 1 und 2, findet dies in verstärktem Maße statt.

Für gewisse Zwecke ist es ja erwünscht, daß die Ankerrückwirkung O III hier in vollem Maße und nicht nur in einer verhältnismäßig kleinen Komponente, wie bei gewöhnlichen Gleichstrommaschinen, dem primären Felde entgegenarbeitet. Eine hohe Ankerrückwirkung wird besonders bei Maschinen gewünscht, die trotz wechselnden äußeren Widerstandes und wechselnder Antriebsgeschwindigkeit annähernd gleichbleibende Stromstärke geben sollen. Für andere Zwecke hingegen, wo die Ankerrückwirkung nachteilig ist, läßt sich das vom Gleichstrome erzeugte Tertiärfeld dadurch kompensieren, daß man auf die Magnetschenkel M Hauptstromspulen H aufbringt, welche mit den ersten Erregerspulen F gleichsinnig wirken (Fig. 6). Es wird hier durch dieselben Spulen Kompoundierung und Kompensation erzielt, wobei man gegenüber den bekannten Arten der Kompensation den großen Vorteil hat, daß die Kompensationsspulen gegen die Erregerspulen nicht verschoben werden müssen, was stets eine komplizierte Anordnung und Wicklung des Magnetsystems verlangt. Mit den gleichen Spulen kann hier auch Uberkompensation und Herstellung eines Kommutierungsfeldes von der für die Kommutierung günstigsten Stärke erzielt werden. Man kann selbstverständlich auch eine Hauptstromwicklung allein auf den Magnetspulen anordnen.

Bei Motoren ist bekanntlich bei gleicher Feld- und Drehrichtung der Ankerstrom entgegengesetzt gerichtet wie bei Stromerzeugern. Es wird daher bei den beschriebenen Maschinen, wenn sie von der Gleichstromseite her als Motoren betrieben werden, das tertiäre Feld dem primären nicht entgegenwirken, sondern mit ihm gleichgerichtet sein. Daher läßt sich hier ohne weiteres die primäre Feldwicklung unterdrücken. Hierbei wird selbstverständlich bei konstanter Klemmenspannung mit steigender Stromstärke die Tourenzahl stark abnehmen, wenn man nicht Mittel vorsieht, die ein zu hohes Ansteigen des Sekundärfeldes verhindern. Ein solches Mittel wäre die Ausführung des das primäre Kraftfeld führenden Feldes mit sehr geringem Querschnitte, so daß dasselbe schon bei mäßigem Strome stark gesättigt ist. Falls es aus konstruktiven Gründen nicht., angeht, das Magnetsystem durchaus so schwach zu dimensionieren, so genügt die Einfügung einer Stelle mit diesem geringen Querschnitte, denn diese übt dann gewissermaßen eine drosselnde Wirkung auf den Kraftfluß aus. Derartige Drosselquerschnitte werden sich auch bei Dynamomaschinen mit Nebenschluß wicklung empfehlen, wenn ein zu hohes Anwachsen des Primärfeldes und damit des Hilfsstromes in der Wechselstromwicklung vermieden werden soll.

Die Maschine nach Fig. 1 oder 3 kann natürlich ebensogut von der Wechselstromseite her als Motor laufen und kann nach Belieben als Umformer für die Umsetzung von Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt verwendet werden. Sie zeigt gegenüber den bekannten Umformern den charakteristischen Unterschied, daß das maßgebende Feld für die Gleichstromwicklung durch die Wattkomponente des Wechselstromes bestimmt wird. Die Verwendung als Umformer ist in Fig. 6 dadurch angedeutet, daß von den drei Schleifringen mit Bürsten bbb Leitungen wegführen, die ein Drehstromnetz darstellen, während die von den Gleichstrombürsten B B führenden Leitungen ein Gleichstromnetz andeuten sollen. Der Vollständigkeit halber sind hier sowohl no Nebenschluß- als auch Hauptstromspulen auf den Magnetschenkeln angegeben. Es können aber auch beide Spulengruppen wegfallen.

Die dargestellte Maschine bietet folgende Vorteile:

1. Selbsterregung in beiden Drehrichtungen und hierbei, falls erwünscht, Gleichstromspannung von konstanter Richtung.

2. Die schon beschriebene einfache Kompensation des Ankerfeldes.

3. Materialersparnis. ;

Daß eine Selbsterregung in beiden Dreh-

richtungen möglich ist, geht aus folgender Erwägung hervor:

Wenn im magnetischen Kreise des Magnetfeldes Körper von merklicher Remanenz sind, so wird beim Angehen das remanente Feld in der durch einen Widerstand geschlossenen oder kurzgeschlossenen Wechselstromwicklung einen Strom erzeugen. Auch von dem Sekundärfelde wird noch eine Spur vorhanden sein. Ist die

ίο Drehrichtung dieselbe wie in der vorangegangenen Betriebszeit, so wird das restliche Sekundärfeld durch den jetzt erzeugten Strom verstärkt und die Nutzbürsten werden Strom abgeben, der in der bekannten Weise durch Nebenschluß-, Hauptstrom- oder Verbundwicklung zur völligen Erregung des ersten Magnetfeldes verwendet werden kann. Ist die Drehrichtung jedoch der.früheren entgegengesetzt, so kommt es wesentlich darauf an, ob der durch das remanente Primärfeld erzeugte Ankerstrom ein Feld schafft, das stärker oder schwächer ist als der vom früheren Sekundärfelde zurückgebliebene Rest. Ist ersteres der Fall, so wird die störende Remanenz des Sekundärfeldes überwunden und ein Feld von der entgegengesetzten, jetzt benötigten Richtung erzeugt. Es werden daher die Nutzbürsten Strom von gleicher Richtung abgeben wie früher.

Wenn hingegen durch die Anordnung der magnetischen Kreise ■ die Remanenz des Sekundärfeldes überwiegt, wird bei entgegengesetzter Drehrichtung der durch das Primärfeld erzeugte Ankerstrom das Sekundärfeld nicht umpolarisieren können, daher werden die Nutzbürsten Strom von entgegengesetzter Polarität wie früher ergeben. Da das Primärfeld von diesen Bürsten aus erregt wird, so wird des ersteren Remanenz überwunden werden, so daß mit wechselnder Drehrichtung das primäre und tertiäre Feld sich umpolarisiert, während das sekundäre gleich bleibt. Man hat es durch geeignete Wahl des Materiales und der Dimensionierung der magnetischen Kreisläufe in der Hand, in der nach beiden Seiten sich selbsterregenden Maschine mit wechselnder Drehrichtung gleichen oder wechselnden Strom zu erhalten.

Eine Regelung der Feldstärke kann sowohl durch die Regelung des primären Erregerstromes als durch die Beeinflussung des Wechselstromes erzielt werden. Bei der Anordnung nach Fig. 1 läßt sich insbesondere durch Einfügung hochbelasteter Eisendrahtwiderstände in den Wechselstromkreis die sekundäre Feldstärke annähernd konstant oder unter einem gewissen Maximalwerte erhalten.

Was die Materialersparnis anbetrifft, so beruht dieselbe auf folgenden Gründen :

Es genügt selbstverständlich ein schwaches Primärfeld, um in einer Wechselstromwicklung, deren Verbindung durch einen geringen Widerstand erfolgt, einen Strom von hinreichender Stärke zu erzeugen. Das von letzterem geschaffene. Sekundärfeld schließt sich durch die den Anker umgebenden Polschuhe. Die Magnetschenkel und das Magnetjoch führen nur das primäre Feld und können daher schwach bemessen werden. Auch die Windungslänge der Magnetspulen ist klein und die Zahl der Amperewindungen braucht nur um weniges mehr zubetragen, als zur Kompensation des vom Nutzstrome erzeugten Tertiärfeldes notwendig ist. Daher kann beim Magnetsysteme an Eisen und Kupfer eine große Ersparnis erzielt werden.

Da das. Primärfeld schwach ist, ist es auch bei Stromerzeugern möglich, dasselbe ohne Feldspulen F auszuführen mit Benutzung des remanenten oder permanenten Magnetismus allein, was wirtschaftlich bei anderen großen Maschinen unmöglich ist. Man kann also «bei vorliegender Erfindung eine Maschine mit der Charakteristik einer Nebenschluß- oder Kompoundmaschine mit kompensierten ' Hauptstromspulen H allein ausführen, was insofern Vorteile bringt, als sowohl der Einheitspreis des Kupfers als der Wicklung für starke Drähte in der Regel geringer ist als für schwache. Es ist hier wirtschaftlich auch nicht ausgeschlossen, das Joch / durch schlechte magnetische Leiter zu bilden oder sogar die Kraftlinien des Primärfeldes durch die Luft hindurch zu schließen.

s Es wäre möglich, bei jener Anordnung, wo das sekundäre Feld gegen das primäre um einen spitzen Winkel verschoben ist (Fig. 4), die primäre Feldwicklung bei Stromerzeugern zu sparen. Dann muß aber die in die primäre Feldachse fallende Komponente des sekundären Feldes jedenfalls größer sein 'als das tertiäre Feld, mit anderen Worten, es muß, auf die gleiche Windungszahl vermindert, der Wechselstrom erheblich größer sein als der abgegebene Gleichstrom.

Die entgegengesetzte Anordnung (Fig. 3) läßt sich mit Vorteil zu dem Zwecke verwenden, um veränderlichen Bürstenübergangswiderstand weniger fühlbar zu machen. Hier muß. ein Teil der primären Amperewindungen dazu aufgewendet werden, um die in die Primärachse fallende Komponente des sekundären Feldes aufzuheben. Es ist also bei einer Anordnung nach Fig. 1, wenn der Winkel zwischen Primär- und Sekundärfeld ein stumpfer ist, nur ein Teil der Nebenschlußamperewindungen praktisch wirksam. Würde nun durch irgend einen Zufall der Übergangswiderstand der Bürsten b momentan vergrößert, so wird der in der Wechselstromwicklung fließende Strom etwas geringer werden, dadurch tritt aber auch eine Verminderung der Gegenkomponente des Feldes

ein, so daß die Veränderung des Übergangswiderstandes im ganzen weniger merkbar werden wird.

Claims (3)

Patent-Ansprüche: ' ■

1. Elektrische Maschine mit Wechselstrom- und Gleichstromwicklung auf dem Anker, dadurch gekennzeichnet, daß der die Wechselstromwicklung durchfließende

ίο Strom ausschließlich oder zu einem großen Teile Wattstrom ist, und daß die Stromabnahmestellen der Gleichstrom wicklung in der Symmetrieachse der die Wechsel-Stromspannung induzierenden Feldkomponente liegen.

2. Ausführungsform der Maschine nach Anspruch 1 als selbstregelnder, umkehrbarer Gleichstromerzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß die das wirksame Sekundär feld erzeugende mehrphasige Wechselstromwicklung innerhalb oder außerhalb des Ankers kurzgeschlossen oder über einen Widerstand geschlossen ist, während die Verbindungslinie der Gleichstrombürsten in die Achse des Primärfeldes fällt. .

3. Ausführungsform der Maschine nach Anspruch 1 und 2 als kompensierte Maschine, dadurch gekennzeichnet;, daß in der Achse des Primärfeldes Hauptstromspulen von solcher Amperewindungszahl angeordnet sind, daß das ihnen entsprechende Feld der algebraischen Summe aus dem durch die Gleichstrombürsten im Anker hervorgerufenen Tertiärfelde und der in die Richtung des primären Feldes fallenden Komponente des sekundären Ankerfeldes gleichkommt oder je nach dem Zwecke größer oder geringer als diese ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.