DE221379C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

ENTSCHRIFT

-M 221379 KLASSE 21 d. GRUPPE

20. März 1883
14. Dezember igoo

Die Erfindung bezweckt, den Leistungsfaktor und die Kommutierung von Repulsionsmotoren zu verbessern. Verglichen mit dem kompensierten Reihenschlußmotor hat der Repulsionsmotor in seiner gewöhnlichen Ausführung gewisse Nachteile. Da die Läuferströme vom Ständer induziert werden, die Magnetierungsachsen des Ständers und Läufers aber gegeneinander um einen bestimmten Winkel verschoben sind, so sind die induktiven Beziehungen zwischen beiden Wicklungen ähnlich denjenigen eines Transformators, dessen primäre und sekundäre Spule in einiger Entfernung voneinander auf dem Eisenkern angeordnet sind, d. h. es bilden sich Streuflüsse, wodurch der Leistungsfaktor erniedrigt wird. Infolge der relativen Stellung der Bürsten zum Ständerfeld schneiden ferner die Leiter, welche den unter den Bürsten kurzgeschlossenen Windüngen angehören, entgegengesetzt gerichtete Polfelder des Ständers, so daß sich die in ihnen induzierten elektromotorischen Kräfte unterstützen und die Kommutierung verschlechtert wird. Endlich hat beim Repulsionsmotor in seiner gewöhnlichen Ausführungsform das von den Rotorströmen erzeugte Feld eine spitzige Form, und die der Kommutierung unterliegende Spule /befindet sich gerade in der Spitze dieses Feldes. Zwar ist die elektromotorische Kraft, welche durch die Rotation in diesem Felde erzeugt wird, bei untersynchroner Geschwindigkeit nützlich, da sie der elektromotorischen Kraft entgegenwirkt, welche in der kommutierenden Spule vom Magnetfeld durch Transformatorwirkung induziert wird, diese Gegenwirkung wird aber oberhalb des Synchronismus übermäßig groß, so daß bei Geschwindigkeiten, welche weit oberhalb des Synchronismus liegen, schwer eine gute Kommutierung gesichert werden kann.

Gemäß der Erfindung werden diese Übelstände dadurch vermieden, daß der Läufer eine Sehnenwicklung erhält, deren Wicklungsschritt gleich dem Bogen gewählt wird, welchen der auf den Läufer induzierend wirkende Teil der Ständerwicklung einnimmt. Es wird.also der induzierend wirkende Teil der Ständerwicklung beispielsweise auf den halben Ständerumfang ausgebreitet und gleichzeitig der Wicklungsschritt des Läufers gleich 90 elektrischen Graden gewählt oder z. B. der induzierend wirkende Teil auf ²/₃ des Ständerumfanges ausgebreitet und der Wicklungsschritt gleich 120 elektrischen Graden gewählt.

Diese Anordnung bewirkt erstens eine vollständige Neutralisation der in induktiver Beziehung stehenden primären bzw, sekundären Ströme des Ständers bzw. Läufers wie bei einem

Transformator, bei welchem die primären und sekundären Wicklungen genau auf ein andergewickelt sind. Zweitens liegen die entgegengesetzten Seiten einer der Kommutierung unterliegenden Spule in dem nämlichen Polfeld des Ständers, so daß sich die in ihnen durch die Rotation in dem Ständerfeld induzierten elektromotorischen Kräfte gegenseitig aufheben. Drittens ist das von den Läuferströmen herrührende

ίο Feld nicht mehr spitzig, sondern abgeflacht, so daß die Geschwindigkeit weit höher getrieben werden kann, bevor die Grenze für die Kommutierung erreicht wird.

Die Zeichnung zeigt beispielsweise eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes. Fig. ι zeigt diagrammatisch einen Repulsionsmotor mit seinen gemäß der Erfindung angeordneten Wicklungen; Fig. 2 zeigt diagrammatisch die Verbindungen der Motorwicklungen; Fig. 3 zeigt den Motor in derartiger Verbindung, daß er als Reihenschlußmotor arbeitet, und Fig. 4, 5 und 6 sind zur Erläuterung dienende Diagramme.

In Fig. ι bedeutet s den Ständer und r den Läufer mit dem Kommutator c und den kurzgeschlossenen Bürsten b b. Es ist beispielsweise ein zweipoliger Motor dargestellt, dessen Läuferwicklung einen AVicklungsschritt von 90 ° hat. Der Ständer ist auf seinem ganzen Umfange gleichförmig bewickelt und umfaßt zwei Spulengruppen. Die eine dieser Spulengruppen α α ist über einen solchen Teil des Ständers verteilt, welcher dem Wicklungsschritt des Läufers entspricht, nämlich über Bogen von 90 °. Der andere Teil des Ständers, welcher in diesem Falle ebenfalls Bogen von 90° umfaßt, ist von der zweiten Spulengruppe α α bedeckt. Die Spulen α α, welche dazu dienen, um im Läufer Ströme zu induzieren, erzeugen ein Feld, welches für die Fig. 1 vertikal gerichtet ist, während die Spulen a' a' das eigentliche, das Drehmoment erzeugende Magnetfeld erzeugen, welches für die Fig. 1 horizontal gerichtet ist. Die in der Figur eingezeichneten Teile zeigen die Stromrichtung in den einzelnen Ständerspulen für einen bestimmten Augenblick an. Es ist hieraus ersichtlich, daß in dem betreffenden Falle sämtliche Ständerwindungen zusammen ein Feld erzeugen, welches die Richtung χ χ hat. Die Teilung der Ständerwicklung in zwei Gruppen hat bekanntlich den Vorteil, die Reversierung des Motors durch Umschaltung der relativen Stromrichtung in den beiden Wicklungsgruppen zu ermöglichen sowie den Betrieb des Motors als Reihenschlußmotor mit Gleich- oder Wechselstrom.

In dem der Zeichnung zugrunde gelegten Augenblicke fließen die Läuferströme in solcher Richtung, wie ebenfalls durch die Pfeile angedeutet ist, und wie sich ergibt, wenn man den Stromlauf durch die Läuferwicklung von einer Bürste zur anderen verfolgt. Aus den Pfeilen ergibt sich, daß die Ströme in den zwei Leitern einer jeden Nut, welche gegenüber dem von den Spulen a des Ständers bedeckten Teil liegen, die gleiche Richtung haben und folglich magnetisch wirksam sind, während die Ströme in den zwei Leitern einer jeden der übrigen Nuten entgegengesetzte Richtung haben und sich daher hinsichtlich ihrer magnetisierenden Wirkung aufheben. Die letzteren Leiter sind durch die Anwendung des verkürzten Wicklungsschrittes in der Läuferwicklung magnetomotorisch ebenso unwirksam gemacht, wie wenn ein Teil der Läuferwicklung durch Ver-Wendung mehrerer Kurzschlußbürstensätze aus dem Läuferstromkreis ganz ausgeschaltet ist. Die angegebene Stromverteilung in den Läuferdrähten ist durch Fig. 2 noch deutlicher ausgedrückt, indem hier die magnetisch wirksamen Leiter durch schwarze Kreise dargestellt sind, die magnetisch unwirksamen durch weiße Kreise. Fig. 2 zeigt ferner, daß das Läuferfeld vertikal gerichtet ist, und es sind die Bürsten b b, um dies auszudrücken, in diesem Diagramme in vertikaler Achse gestellt. Dies ist zugleich die Lage, welche die Bürsten bei Verwendung eines Gramme sehen Ringankers in Wirklichkeit einnehmen würden. Der Unterschied in der Bürstenstellung zwischen Fig. 1 und 2 rührt daher, daß bei Fig. 1 angenommen ist, daß der Läufer eine Trommelwicklung besitzt, und daß die zu den Kollektorlamellen führenden Verbindungsleiter von der Mitte der Stirnverbindungen des Läufers abzweigen. Elektrisch ist die Lage der Bürsten bei Fig. 1, trotzdem sie in einer horizontalen Achse liegen, derjenigen der Fig. 2 vollkommen gleichwertig, da sie den Läufer in vertikaler Achse kurzschließen. Wenn im folgenden von der Bürstenstellung gesprochen ist, so ist damit stets die wirksame Stellung gemeint, wie sie im Diagramme Fig. 2 eingezeichnet ist, und nicht die wirkliche räumliche Lage, welche von der Anordnung der Läuferspulen und ihrer Verbindüngen abhängt. Aus dem Anblick der Fig. 1 und 2 ergibt sich ferner, daß nicht nur die magnetische Achse des Läufers vertikal ist wie jene der Ständerspulen α α, sondern daß auch diejenigen Teile des Läuferumfanges, welche von magnetisch wirksamen Leitern bedeckt werden, genau jenen Teilen des Ständers entsprechen, welche von den Spulen α α bedeckt werden. Daher sind in dem Motor dieselben günstigen Bedingungen erreicht wie in einem ¹¹S Transformator, bei welchem die primäre und sekundäre Wicklung genau aufeinandergewickelt sind, so daß Streuflüsse vermieden werden und ein hoher Leistungsfaktor gewährleistet ist. Mit anderen Worten, die Ankerrückwirkung ist vollständig kompensiert.
Es ist ferner beachtenswert, daß das das

Drehmoment erzeugende, senkrecht zur Kurzschlußachse gerichtete Magnetfeld ausschließlich von den Ständerwindungen a' a! erzeugt wird, während die Läuferströme nichts zu diesem Magnetfeld beitragen. Fig. 4 zeigt diagrammatisch die Stromverteilung im gewöhnlichen Repulsionsmotor, welche eine über den ganzen Umfang gleichmäßig verteilte Ständerwicklung und die übliche Läuferwicklung mit unverkürztem Schritt besitzt. Die relative Stromrichtung im Ständer s und im Läufer r ist durch Pfeile angedeutet. Es ist ersichtlich, daß jene Teile sowohl des Ständers wie des Läufers, welche zwischen den strichpunktierten Linien liegen, sich in,der Erzeugung des Magnetfeldes unterstützen, und daß das Feld der . Läuferströme eine spitzige Form hat und nicht vollständig durch den Ständer neutralisiert ist. Fig. 5 zeigt das Diagramm einer anderen Form des Repulsionsmotor, bei welcher die Ständerwicklung bloß über einen Teil des Ständers s verteilt ist, wie durch die starken Linien angedeutet ist, welche den bewickelten Teil des Ständers anzeigen; die schwach ausgezogenen Bogen sind als unbewickelt angenommen. Beim Läufer r ist angenommen, daß er die übliche Wicklung mit unverkürztem Schritt besitzt. Bei diesem Motor wird das motorisch wirksame Magnetfeld ausschließlich durch den Läufer erzeugt, und zwar sind für diesen Zweck jene Teile des Läufers wirksam, welche zwischen den strichpunktierten Linien liegen. Bei diesem Motor besitzt das Feld der Läuferströme ebenfalls eine spitzige Form und wird durch den Ständer nicht vollständig neutralisiert. Fig. 6 endlich zeigt ein ähnliches Diagramm für den gemäß der Erfindung ausgebildeten Repulsionsmotor. Der magnetisch wirksame Teil des Läufers ist durch die stark ausgezogenen Linien ausgedrückt und liegt außerhalb der strichpunktierten Linien. Die Ständerwicklung ist auf dem ganzen Umfang verteilt. Bei diesem Motor wird das Magnetfeld, ebenso wie beim kompensierten Reihenschlußmotor, ausschließlich durch Ständerwindungen erzeugt, das von den Läuferströmen herrührende Feld ist abgeflacht und wird vom Ständer vollständig neutralisiert, wie sich aus Fig. 2 deutlich ergibt.

Aus Fig. ι ergibt sich noch, daß die Leiter, welche einer der Kommutierung unterliegenden Spule angehören, dem nämlichen Pole des von den Ständerspulen a' erzeugten Magnetfeldes gegenüberliegen. Dieses Feld kann angesehen werden als sich von der horizontalen Achse nach jeder Seite auf 45 ° erstreckend. Die beiden Leiter einer kommutierenden Spule liegen unter den zwei Spitzen des nämlichen Poles dieses Feldes, so daß die elektromotorisehen Kräfte, welche in ihnen durch die Rotation in diesem Felde induziert werden, sich innerhalb der Spule entgegenwirken und daher ihr störender Einfluß auf die Kommutierung beseitigt ist.

Aus dem Vergleich der Fig. 4 und 6 hat sich ergeben, daß beim gewöhnlichen Repulsionsmotor (Fig. 4), bei welchem sämtliche Leiter des Läufers an der Erzeugung der Läufermagnetisierung oder Ankerrückwirkung beteiligt sind, das von ihnen erzeugte Feld eine spitzige Form hat und die Spitze des Feldes an den Bürsten liegt, während im Gegensatz hierzu bei dem Motor gemäß Fig. 6 bloß die durch die stark ausgezogenen Bogen angezeigten Teile des Läufers magnetisch wirksam sind und ein abgeflachtes Feld erzeugen. Infolgedessen ist die elektromotorische Kraft, welche in einer kurzgeschlossenen Spule durch die Rotation im Läuferfeld erzeugt wird, bei Fig. 6 viel geringer als bei Fig. 4. Bei jedem Repulsionsmotor werden in einer unter den Bürsten kurzgeschlossenen Spule zwei elektromotorische Kräfte induziert, die eine durch die Transformatorwirkung des Magnetfeldes, die zweite durch die Rotation der kurzgeschlossenen Spule in dem Felde jener Stelle, an welcher ihre Leiter liegen. Im Synchronismus sind diese zwei elektromotorischen Kräfte gleich groß und entgegengesetzt, so daß die Kommutierung vorzüglich ist. Oberhalb des Synchronismus wächst die von der Rotation herrührende elektromotorische Kraft, und zwar beim gewöhnlichen Repulsionsmotor, bei welchem die Kommutierung, wie bereits erwähnt, an der Spitze des Feldes stattfindet, sehr rasch, so daß die Kornmutierung mit wachsender Geschwindigkeit sehr schlecht wird. Bei einem abgeflachten Felde, wie es gemäß der Erfindung erzeugt wird, kann die Geschwindigkeit viel höher getrieben werden, bevor die Grenze für die Kornmutierung erreicht. wird.

Die Abflachung des Läuferfeldes gemäß der Erfindung hat noch einen weiteren Vorteil für die Kommutierung. Bei jedem Repulsionsmotor besitzen die induzierenden Ständeramperewindungen einen geringen Überschuß über die induzierten Läuferamperewindungen, denn dieser Überschuß erst erzeugt das induzierende oder sogenannte Transformatorfeld des Motors. Die elektromotorische Kraft, welche in einer der Kommutierung unterliegenden Spule durch die Rotation in diesem Felde erzeugt wird, ist ungefähr um 90° gegen jene elektromotorische Kraft in der Phase verschoben, welche durch die Transformatorwirkung des das Drehmoment erzeugenden Magnetfeldes induziert wird, und ist bei den früheren Betrachtungen noch nicht berücksichtigt worden. Die sogenannte Reaktanzspannung der kommutierenden Spule ist nun ebenfalls um 90° in der Phase verschoben gegenüber der durch die Transformatorwirkung in der kurzgeschlossenen

Spule induzierten elektromotorischen Kraft. Wenn daher die elektromotorische Kraft, welche durch die Rotation in dem oben erwähnten, durch die überschüssigen Ständeramperewindungen hervorgerufenen Feld induziert wird, die richtige Richtung hat, so unterstützt sie die Kommutierung. Beim gewöhnlichen Repulsionsmotor der Fig. 4 ist nun infolge des Unterschiedes in der Verteilung des von den Ständeramperewindungen und des- von den Läuferamperewindungen erzeugten Feldes und infolge des Umstandes, daß das letztere Feld an den Bürsten am stärksten ist, die Richtung des von den überschüssigen Amperewindungen herrührenden Feldes an den Bürsten die gleiche wie diejenige des Läuferfeldes, und dies ist gerade die falsche Richtung, um eine der Reaktanzspannung entgegenwirkende elektromotorische Kraft zu induzieren. Bei dem gemaß der Erfindung ausgebildeten Motor der Fig. 6 hat dagegen das von den induzierenden Ständerwindungen α α erzeugte Feld die gleiche Gestalt wie das von den induzierten Läuferwindungen erzeugte Feld. Infolgedessen erzeugt

der Überschuß der Ständeramperewindungen an den Kommutierungsstellen ein Feld, welches die Richtung des Ständerfeldes hat. Die in den kurzgeschlossenen Läuferwindungen durch die Rotation in dem vom Überschuß herrührenden Felde induzierte elektromotorische Kraft hat daher die geeignete Richtung, um die Reaktanzspannung aufzuheben.

Wie schon oben erwähnt wurde, dient die Unterteilung der Ständerwicklung in zwei Gruppen dazu, die Reversierung des Motors zu erleichtern und den Betrieb des Motors als Reihenschlußmotor mit Gleich- oder Wechselstrom zu ermöglichen. Fig. 3 zeigt nun den Motor in der für den Betrieb als Gleichstrommotor geeigneten Schaltung. Die Läuferbürsten sind nicht mehr kurzgeschlossen, sondern mit den Ständerwindungen in Reihe geschaltet. Die Spulen a', welche in Fig. 3 in Parallelschaltung gezeigt sind, während sie bei Fig. 2 in Reihe geschaltet sind, erzeugen infolge dieser abgeänderten Schaltung beim Gleichstrombetrieb ein stärkeres Feld, was wünschenswert ist, wenn derselbe Motor abwechselnd mit Gleich- und Wechselstrom betrieben wird, gleichgültig, ob er in letzterem Falle als Reihenschluß- oder Repulsionsmotor benutzt wird. Die Ständerwindungen α α dienen beim Gleichstrombetrieb als Kompensationswicklung und, da ihre Verteilung mit derjenigen der Läuferamperewindungen übereinstimmt, so ist die Kompensierung der Ankerrückwirkung eine vollkommene.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Repulsionsmotor mit zweiteiliger Ständerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß als Läuferwicklung eine solche Sehnenwicklung verwendet wird, deren Wicklungsschritt gleich dem Bogen ist, welchen der induzierend wirkende Teil der Ständerwicklung bedeckt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.