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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

KLASSE 21 d. GRUPPECLASS 21 d. GROUP

Die bisher bekannt gewordenen Drehstrom-Kollektormaschinen mit Serienschaltung zeigen bei Regelung der Drehzahl durch Bürstenverschiebung mehrere erhebliche Nachteile, wie sich mit Hilfe des Diagrammes in Fig. ι er-' kennen läßt. In dem Diagramme bedeutet ο p die magnetomotorische Kraft . des Stators, ο r die des Rotors, ο q die aus beiden resultierende M. M. K., die maßgebend für dasThe three-phase collector machines with series connection that have become known to date show several significant disadvantages when the speed is controlled by shifting the brushes, as can be seen with the aid of the diagram in FIG. In the diagram, ο p means the magnetomotive force. of the stator, ο r that of the rotor, ο q the MMK resulting from the two, which is decisive for the

ίο Drehfeld der Maschine ist. Mit α ist der elektrische Verschiebungswinkel der Bürsten am Rotor bezeichnet. Das Drehfeld erzeugt in den durch die Bürsten jeweilig kurzgeschlossenen Rotorspulen Spannungen, die um so größer sind, je mehr die Drehzahl des Rotors vom Synchronismus abweicht. Zweck der erwähnten Regelung ist aber gerade, solche Abweichungen vom Synchronismus herzustellen. Man wird daher immer die Kurzschlußspannungen in Kauf nehmen müssen, andererseits ihren Betrag so klein als möglich zu halten suchen. In dieser Hinsicht ist aber die bisherige Form des Drehstrom-Kollektormotors ungünstig. Denn wenn das Diagramm (Fig. 1) für einen Motor im Synchronismus gilt, so muß, wenn der Motor untersynchron laufen soll, 0 r durch Vergrößerung des Winkels α so gedreht werden, daß 0 q, also das Drehfeld, zunimmt. Die Kurzschlußspannung wächst demnach bei gleichem Drehmomente infolge der Abweichungen vom Synchronismus und infolge der Feldverstärkung.ίο the rotating field of the machine. The electrical displacement angle of the brushes on the rotor is designated by α. The rotating field generates voltages in the rotor coils that are short-circuited by the brushes, which are greater the more the speed of the rotor deviates from synchronism. The purpose of the regulation mentioned is precisely to produce such deviations from synchronism. One will therefore always have to accept the short-circuit voltages and, on the other hand, try to keep their amount as small as possible. In this respect, however, the previous form of the three-phase collector motor is unfavorable. Because if the diagram (Fig. 1) applies to a motor in synchronism, then, if the motor is to run undersynchronously, 0 r must be rotated by increasing the angle α so that 0 q, i.e. the rotating field, increases. The short-circuit voltage therefore increases with the same torque as a result of the deviations from synchronism and as a result of the field amplification.

Ein weiterer Nachteil der bisherigen Form der Drehstrom-Kollektonnaschine besteht in der Schwierigkeit der Bürsteneinstellung beim Regeln der Drehzahl, da schon eine geringe Bürstenverschiebung beträchtliche Änderungen des Feldes und damit der Drehzahl zur Folge hat. Ein sehr feines Einstellen der Drehzahl ist dahgr schwer, zumal auch schon Änderungen in der Auflagefläche der Bürsten von wesentlichem Einfluß sein können.Another disadvantage of the previous form of the three-phase collector machine is the difficulty of adjusting the brushes when regulating the speed, since it is already a minor one Brush displacement results in considerable changes in the field and thus in the speed Has. A very fine setting of the speed is therefore difficult, especially since changes are made can have a significant influence on the contact surface of the brushes.

Die genannten Nachteile zu beseitigen, ist der Zweck der nachfolgend beschriebenen neuen Form von Drehstrom^Kollektormaschinen.Eliminating the disadvantages mentioned is the purpose of the new ones described below Form of three-phase ^ collector machines.

In Fig. 2 ist des Vergleiches wegen schematisch ein gewöhnlicher Drehstrom-Kollektormotor mit Serienschaltung dargestellt, wobei abc die Kollektorbürsten bedeuten. Die Kollektorbürsten werden über die hinter ihnen angedeuteten Statorwicklungen gespeist. Die neue Form der Maschine ist in Fig. 3 dargestellt; sie unterscheidet sich von der nach Fig. 2 durch die Anwendung von Doppelbürsten α α¹, b b¹, c c¹ an Stelle der einfachen Kollektorbürsten. Die Bürsten jedes Paares sind durch Ohmsche oder induktive Widerstände ν miteinander verbunden; die Zuleitung . der Ströme erfolgt an zweckdienlicher Stelle dieser Widerstände. Die Bürsten jedes Paares können ferner unabhängig gegeneinander verschiebbar angeordnet sein; in vielen Fällen kann aber auf eine so weit gehende Regelbarkeit verzichtet werden, und es wird genügen, etwa nur die drei Bürsten abc verschiebbar einzurichten.In FIG. 2, for the sake of comparison, a conventional three-phase collector motor with a series connection is shown schematically, abc denoting the collector brushes. The collector brushes are fed via the stator windings indicated behind them. The new form of the machine is shown in Figure 3; it differs from that of FIG. 2 by the use of double brushes α α ¹ , bb ¹ , cc ¹ instead of the simple collector brushes. The brushes of each pair are connected to one another by ohmic or inductive resistances ν; the supply line. of the currents takes place at the appropriate point of these resistances. The brushes of each pair can also be arranged to be independently displaceable with respect to one another; In many cases, however, such a large degree of controllability can be dispensed with, and it will be sufficient, for example, to set up only the three brushes abc to be displaceable.

Der Motor nach Fig. 3 bildet ersichtlich in seiner Wirkungsweise die Verbindung einesThe motor according to FIG. 3 clearly forms the connection of one in its mode of operation

Serienmotors mit einem Induktionsmotor. Stehen die Bürsten jedes Paares dicht beieinander, fällt also α mit a¹, b mit δ¹, c mit c¹ zusammen, so hat man einen reinen Serienmotor. Werden die Bürsten der Paare so weit auseinandergerückt, daß sie mit den benachbarten Bürsten der anderen Paare zusammenkommen, fällt also a¹ mit b, b¹ mit c, c¹ mit a zusammen, so arbeitet der Motor als Induktionsmotor mit im Dreieck über Widerstände geschalteten Bürsten. In den Zwischenlagen der Bürsten arbeitet der Motor teils als Serienmo.tor, teils als Induktionsmotor; letzteres nämlich mit den durch die beiden Bürsten jedes Paares geschlossenen Wicklungsteilen. Der in einer so geschlossenen Wicklungsabteilung induzierte Strom ist in den folgenden Figuren mit J]₁ bezeichnet. Daraus geht schon hervor, daß man in der beschriebenen Weise dem Motor ganz verschiedene Charakteristiken ' geben kann. Die nähere Begründung folgt weiterhin. Zunächst sei noch über die Verbindungen υ der Bürsten jedes Paares unter sich folgendes bemerkt. In Fig. 4 sind dieSeries motor with an induction motor. If the brushes of each pair are close together, i.e. if α and a ¹ , b and δ ¹ , c and c ¹ coincide, then we have a pure series motor. If the brushes of the pairs are moved so far apart that they come together with the neighboring brushes of the other pairs, i.e. if a ¹ coincides with b, b ¹ coincides with c, c ¹ coincides with a , the motor works as an induction motor with resistors connected in a triangle To brush. In the intermediate layers of the brushes, the motor works partly as a series motor, partly as an induction motor; the latter namely with the winding parts closed by the two brushes of each pair. The current induced in such a closed winding compartment is denoted by J] _{1 in the following figures.} This already shows that the engine can be given very different characteristics in the manner described. The more detailed reasoning will continue to follow. First of all, the following should be noted about the connections υ of the brushes in each pair. In Fig. 4 are the

zusammengehörenden Bürsten durch einen Ohmschen Widerstand w verbunden. Diese einfachste Schaltung hat natürlich außer dem Verluste durch den Strom /;_v- einen unerwünschten Verlust durch die Stromwärme des zugeleiteten Stromes / zur Folge. Will man diesen umgehen, ohne die durch Anwendung des Widerstandes bedingten Eigenschaften des Motors aufzugeben, so kann man nach Fig. 5 den Widerstand w in den Sekundärkreis eines Transformators t legen, wobei der Strom in der Mitte "der Primärwicklung zugeführt wird. Dann wird nur noch der Strom Jk in den Sekundärkreis übertragen. Durch unbeschränktes Zunehmen des Widerstandes w gelangt man zu der Anordnung Fig. 6, wo die beiden Bürsten einfach durch eine Drosselspule verbunden sind. Damit ist schon angedeutet, wie die Verbindungen ν gleichzeitig von Ohmschen und von induktiven Widerständen gebildet werden können. Im Grenzfalle kann der Widerstand der Verbindungen ν ganz verschwinden. Dann ist für die Größe von /;,· nur der innere Widerstand der geschlossenen Wicklungsabteilungen maßgebend.matching brushes connected by an ohmic resistance w . This simplest circuit has, of course, in addition to the losses due to the current /; _v - an undesirable loss due to the current heat of the supplied electricity / result. If you want to avoid this without giving up the properties of the motor due to the use of the resistor, you can place the resistor w in the secondary circuit of a transformer t according to FIG yet the current Jk transferred to the secondary circuit. by unrestricted Increasing the resistance w passes it to the arrangement of Fig. 6, where the two brushes are simply connected by a choke coil This is already indicated, such as the compounds ν simultaneously by ohmic and inductive. In the limiting case the resistance of the connections ν can disappear completely. Then only the internal resistance of the closed winding sections is decisive for the size of / ;, ·

Im folgenden sollen die Wicklungen des Stators a]s System I bezeichnet werden, die des Rotors, soweit sie nicht durch die Verbindungen ν geschlossen sind, als System II, und die in dieser Weise geschlossenen Wicklungsteile des Rotors als System III. Die Systeme I und II sind in Reihe geschaltet und führen dieselben Ströme; System III ist aber von diesen Strömen unabhängig. Ähnlich wie bei der bekannten Anordnung, für die das Diagramm Fig. 1 gilt, ergeben die Systeme I und Il nach dem Diagramme Fig. 7 magnetomotorische Kräfte 0 p und 0 r mit der Resultierenden 0 q. Diese ist aber jetzt nicht mehr allein bestimmend für das Feld, außer bei Synchronismus; vielmehr tritt bei j eder vom Synchronismus abweichenden Drehzahl im Systeme III ebenfalls eine M. M. K. auf, die bei Untersynchronismus von 0 q geometrisch abzuziehen, bei Übersynchronismus geometrisch zu addieren ist. Sind die Verbindungen ν des Systems III nach Fig. 6 rein induktiv, so ist die Subtraktion und Addition zu 0 q algebraisch. Das Diagramm Fig. 7 gilt für reinen Ohmschen Widerstand der Verbindungen ν und Untersynchronismus. Die M. M. K. des Systems III ist hier gleich q d, und es verbleibt 0 d als resultierende feldbestimmende M. M. K. übrig. Wie das Diagramm zeigt, kann das Feld je nach der Größe von q d, also je nach der Größe der Widerstände im System III, beliebig klein gemacht werden, womit der im Eingange angegebene Zweck des Vermeidens zu starker Felder mit Rücksicht auf die Kurzschlußspannung erreicht wird. Im allgemeinen wird man danach streben, für ein gegebenes Drehmoment die Feldstärke so einzurichten, daß der Gesamtstrom bei Bürstenverschiebung konstant bleibt oder wächst, im Gegensatze zu Fig. 1, wo bei konstantem Momente wegen des Anwachsens des Feldes der .Strom mit zunehmender Bürstenverschiebung abnimmt.In the following, the windings of the stator a] s system I are designated, those of the rotor, as far as they are not closed by the connections ν , as system II, and the winding parts of the rotor closed in this way as system III. Systems I and II are connected in series and carry the same currents; System III, however, is independent of these currents. Similar to the known arrangement for which the diagram in FIG. 1 applies, the systems I and II according to the diagram in FIG. 7 result in magnetomotive forces 0 p and 0 r with the resultant 0 q. However, this is no longer the sole determinant of the field, except in the case of synchronism; Rather, at every speed deviating from synchronism in system III, an MMK also occurs, which is to be geometrically subtracted from 0 q in the case of undersynchronism and to be added geometrically in the case of oversynchronism. If the connections ν of the system III according to FIG. 6 are purely inductive, the subtraction and addition to 0 q is algebraic. The diagram in FIG. 7 applies to the pure ohmic resistance of the connections ν and subsynchronism. The MMK of system III is here equal to qd, and there remains 0 d as the resulting field-determining MMK. As the diagram shows, the field can be made as small as desired, depending on the size of qd, i.e. depending on the size of the resistances in system III, which achieves the purpose of avoiding excessively strong fields with regard to the short-circuit voltage. In general, one will strive to set up the field strength for a given torque so that the total current remains constant or increases with brush displacement, in contrast to Fig. 1, where at constant moments because of the increase in the field of .Strom decreases with increasing brush displacement.

Wie auch der fernere Zweck der neuen Einrichtung erreicht wird, nämlich einer bestimm- * ten Änderung der Drehzahl eine größere Bürstenverschiebung entsprechen zu lassen, erhellt am besten aus der Betrachtung des Grenzfalles, wo die Bürste α¹ um 120 ° (elektrisch) verschoben wird und b erreicht, ähnlich bei allen drei Bürstenpaaren. Dann ist der Stator in Stern geschaltet und der Rotor über Widerstände bzw. . Drosselspulen in sich geschlossen, wie schon oben erwähnt. Damit hat der Motor die Wirkung eines gewöhnlichen Induktionsmotors. Bei diesem ändert sich aber bekanntlich die Drehzahl sehr wenig, während sie umgekehrt bei einem Drehstrom-Serienmotor nach Fig. 2 mit der Belastung stark veränderlich ist. Um dem Motor die beiden Grenzeigenschaften oder dazwischenliegende zu geben, ist also immer eine große Bürstenverstellung erforderlich.How the further purpose of the new device is achieved, namely to allow a certain change in the speed to correspond to a larger brush ^{displacement, is best illustrated by considering the borderline case where the brush α 1} is displaced by 120 ° (electrical) and b reached, similarly for all three pairs of brushes. Then the stator is connected in star and the rotor via resistors or. Choke coils closed in themselves, as already mentioned above. The motor thus has the effect of an ordinary induction motor. In this case, however, as is known, the speed changes very little, while, conversely, in a three-phase series motor according to FIG. 2, it varies greatly with the load. In order to give the motor the two limit properties or those in between, a large brush adjustment is always necessary.

Die Ausnutzung des beschriebenen Motors hängt bei den verschiedenen Schaltungen von den Verhältnissen der M. M. K. des Systems II zu der des Systems I ab, weil dieses Verhältnis bestimmend ist für den Winkel zwischen 0 d und or in Fig. 7; denn es ändert sich damit der Zeitwinkel zwischen 0 d und 0 r, also auch das Drehmoment der 0 r entsprechenden Rotorströme. Während bei Einschälten von [ Widerständen in das System III 0 d stetsThe utilization of the motor described in the various circuits depends on the ratios of the MMK of system II to that of system I, because this ratio is decisive for the angle between 0 d and or in FIG. 7; because it changes the time angle between 0 d and 0 r, thus also the torque of the rotor currents corresponding to 0 r. Whereas when [resistors are switched into the system III 0 d always

mit q d ein günstiges Drehmoment gibt, verkleinert sich das Drehmoment von ο d mit ο r (System III) um so mehr, je kleiner der Winkel rod ist. Durch passende Wahl der Verhältnisse op zu or muß deshalb für die gute Ausnutzung des Rotors gesorgt werden.with qd there is a favorable torque, the torque decreases from ο d with ο r (system III) the more the smaller the angle rod is. A suitable choice of the ratios op to or must therefore ensure good utilization of the rotor.

Wenn es sich nur um einen bestimmten Betriebszustand handelt, So können natürlich auch sämtliche Bürsten der Maschine feststehen. If it is only about a certain operating condition, so can of course all brushes of the machine are also fixed.

Claims

Patent claim:
Three-phase collector machine with a series connection, characterized by double brushes instead of the simple brushes, whereby the brushes, which can be adjusted according to the condition of each pair, are connected via ohmic or inductive resistors for the purpose of achieving a three-phase current system that is independent of the series connection and can be regulated according to one's condition.

1 sheet of drawings.