DE222746C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 222746 — KLASSE 2Vd. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 16. Juli 1909 ab.

Erregt man sowohl den Ständer als auch den Läufer etwa einer asynchronen Wechselstrommaschine gleichzeitig mit gleicher Stromart, Gleichstrom oder Wechselstrom derselben Frequenz, so entsteht bei Drehung des Ankers eine pendelartige Richtungsänderung des resultierenden magnetischen Feldes von ungleichmäßiger Geschwindigkeit. Gleichzeitig ist im allgemeinen hiermit eine Änderung der Stärke des magnetisehen Gesamtflusses verbunden, weil er von zwei während der Drehung unter veränderlichem Winkel sich zusammensetzenden magnetomotorischen Kräften gebildet wird. Zur Erläuterung sei zunächst Gleichstromerregung angenommen. In Fig. 1 sind in den Stellungen a bis * neun Läuferstellungen einer zweipoligen Maschine dargestellt, die je um V₈ einer Umdrehung verschieden sind, so daß also die Stellungen α und i gleich sind. Die horizontale Achse sei die Feldachse der festen Erregerspule auf dem Ständer, deren Windungslage durch + und 0 außerhalb des kleinen Kreises angedeutet ist. Die Zeichen + und 0 deuten auch die jeweilige Stromrichtung an. Die Stellung und Stromrichtung der Läufererregerspule seien durch + und 0 innerhalb des kleinen Kreises angedeutet; die Pfeile bezeichnen nach Größe und Richtung das resultierende magnetische Feld bei konstanter Erregung.

Man erkennt, daß sich das resultierende Feld innerhalb der Stellungen α bis i über b, c, d, e, f, g, h mit der halben Läufergeschwindigkeit dreht, da sich das Feld erst um 180 ° gedreht hat, nachdem der Läufer schon eine ganze Umdrehung gemacht hat. Bei der neuen Umdrehung des Läufers müssen sich hinsichtlich des resultierenden Feldes die Vorgänge wiederholen; das bedeutet, daß sich das Feld beim Durchgange des Läufers durch Stellung α momentan um 180 ° ändert. Man kann diese plötzliche Richtungsänderung als plötzliche Drehung des Feldes um 180 ° oder auch als Verschwinden und Wiederentstehen in umgekehrter Richtung in der Vertikalachse ansehen. Die Wirkung dieser plötzlichen Feldänderung auf eine Drahtschleife, deren Windungsebene mit der Vertikalachse einen Winkel einschließt, ist eine stoßweise auftretende E. M. K., die sich im oszillographischen Bilde als spitze Spannungswelle darstellt.

Da die maximale Wirkung dann zustande kommt, wenn der Winkel dieser Windungsfläche, welche die »induzierte« genannt sein soll, 90° mit der Windungsfläche der Erregerwindungen beträgt, so wird man die induzierten Windungen vorzugsweise in dieser Richtung anordnen, so daß die Ständerwicklungen ähnlich wie die beiden Phasen eines Zweiphasenmotors angebracht sind. Fig. 2 zeigt in vereinfachter Form den Aufbau einer derartigen zweipoligen Maschine. Dabei bedeuten k die Erregerspulen des Ständers, I die des Läufers, m die induzierten Spulen.

Die plötzliche Feldänderung in der Vertikalachse, auf die es hier ankommt, kann nun noch innerhalb gewisser Grenzen durch die Spulenanordnung und deren Polbedeckung in bezug auf die erregenden und induzierten Spulen beeinflußt werden.

Die Erscheinung der plötzlichen Feldänderung

wird dadurch beeinträchtigt, daß sich, wie in Fig. ι durch die Länge der Pfeile angedeutet, die Feldstärke bei konstanter Erregung mit der Drehung des Läufers ändert in dem Sinne, daß das magnetische Feld beim Durchgange des Läufers durch Stellung α zu Null werden müßte Bekanntlich ist aber die induzierte Spannung nicht vom Felde an sich, sondern von der Feldänderung abhängig Die zwangsweise Änderung des Feldes um i8o° wird um so kräftiger, je weniger das Gesamtfeld während der Drehung des Läufers innerhalb der Stellungen b bis h sich ändert. Man hat also zu suchen, um hohe Spannungen zu erzeugen, die Änderung des magnetischen Feldes möglichst auf die kurze Zeit des Läuferdurchganges durch die Stellung a zusammenzudrängen. Nun wirkt aber die Feldänderung selbst auf die Erregerspule derart zurück, daß der Erregerstrom sich in dem Sinne der Erhaltung des magnetischen Feldes ändert. Diese Eigenschaft ist um so ausgeprägter, je höher die Drehzahl der Maschine und je kleiner der Ohmsche Widerstand der Erregerwicklung gegenüber deren Selbstinduktionskoeffizienten ist. Es ist deshalb vorteilhaft, die Erregung nicht mittels Widerständen von einer Stromquelle konstanter Spannung zu regeln, sondern eine eigene Erregermaschine zu benutzen, deren E. M. K. durch Nebenschlußerregung geändert wird.

Man kann nun je nach Art des Erregerstromes besondere Eigenschaften der induzierten Spannungswelle erzielen. Wenn man mit Gleichstrom erregt, so erhält man im wesentlichen eine Spannungskurve von der Form der Fig. 3. Die Zeit t_x entspricht einer vollen Umdrehung des Läufers einer zweipoligen Maschine, und die Spannungsspitze der Stellung α bzw. i des Läufers.

Erregt man Ständer und Läufer mit Wechselstrom, so wird infolge der gleichzeitigen Feldänderungen durch den Wechselstrom die Spannungsspitze Größenänderungen unterliegen, je nach dem Momentanwerte des Wechselstromes beim Durchgänge des Ankers durch die Stellung a. Läuft der Läufer nicht synchron oder in einem unganzen Vielfachen des Synchronismus, so erhält man Schwebungen der Span-■' nungsamplitude nach Art der Fig. 4, wenn der Rotor in der Nähe des Synchronismus läuft.

Die Einhüllende der Spannungsspitzen ist der

Kurve des erregenden Wechselstromes ähnlich.

In der Nähe des doppelten Synchronismus

erhält man Schwebungen von der Form der Fig. 5.

Läßt man die Maschine synchron oder mit einem mehrfachen Betrage des Synchronismus für den zugeführten Wechselstrom laufen, so erhält man keine Schwebungen der Spannungsspitzen, sondern konstante Werte, welche aber nach der einhüllenden Kurve durch Verstellung des Läufers zur erregenden Spannungswelle noch geregelt werden können.

Diese Regelung kann durch Verdrehen des Ständers der Maschine oder des unmittelbar gekuppelten Erregers oder durch Verstellen der Kupplung zwischen beiden oder durch jedes andere Mittel erreicht werden, das gestattet, den Läuferdurchgang durch Stellung α zeitlich gegenüber der erregenden Wechselstromwelle zu verändern.

Die gegen die erregenden Spulen des Ständers und Läufers räumlich, um etwa 90 ° bei zweipoligen Maschinen verschobenen, induzierten Spulen können auf Ständer und Läufer gleichzeitig untergebracht werden. Sie können aber auch, da die Feldänderung, welche die Spannungsspitze erzeugt, innerhalb eines nur kleinen Drehwinkels des Läufers erfolgt, auf einem Teile allein, etwa dem Ständer, untergebracht werden, wodurch Schleifringe gespart werden. Die erregenden Spulen können für sich ebenso wie die induzierten in Reihe oder parallel geschaltet werden, wenn die Windungsverhältnisse entsprechend gewählt werden, nach Umständen unter Zuhilfenahme von Transformatoren bei Wechselstromerregung.

Den vorstehenden Erläuterungen lag die Annahme zugrunde, daß die erregenden Amperewindungen des Ständers und Läufers so gewählt wurden, daß im stationären Zustande das magnetische Feld in Richtung der Horizontalachse bei Läuferstellung α gleich Null würde. Der Erfindungsgedanke ist aber nicht an diese Voraussetzung gebunden. Die magnetomotorischen Kräfte beider Erregerwindungen können auch ungleich gewählt werden, wodurch die erzeugte Spannungswelle wieder andere Eigenschaften erlangt. An Stelle der früher beschriebenen hohen Spannungsspitze tritt eine kleinere. Dagegen tritt zwischen diesen eine neue Spannungsspitze auf, deren Größenverhältnis von dem Ungleichheitsgrade der erregenden Spulen abhängt.

Die mechanischen Kräfte, die in der Maschine verbraucht oder erzeugt werden, sind während einer Umdrehung nicht konstant. Die verzögernde Kraft ist gerade beim Durchgange des Läufers durch Stellung a am größten, weshalb hier eine Verminderung der Geschwindigkeit des Läufers eintritt. Das vermindert aber auch die Geschwindigkeit der Feldänderung und erniedrigt so die Spannungsspitze. Es ist deshalb vorteilhaft, die Geschwindigkeit des Läufers durch Benutzung von Schwungmassen gleichmäßiger zu machen.

Unter Windungsflächen oder Windungsebenen der Spulen sind oben die Flächen verstanden, . auf denen das resultierende magnetische Feld senkrecht stehen würde, wenn die betreffenden Spulen allein erregt wären. Die kurz als resultierende Windungsfiäche zu bezeichnende Fläche

kann zusammengesetzt werden aus mehreren Flächen, die ihr parallel oder auch nicht parallel sind.

Im letzten Falle können zwischen Windüngen, deren Flächen nicht mit den resultierenden zusammenfallen, hohe, nicht erwünschte Spannungen auftreten. Diese Spannungen heben sich zwar nach außen auf, können aber doch im Innern der Maschine Be-Schädigungen hervorrufen. Daher ist der erste Fall vorzuziehen, d. h. die Windungsfläche jeder einzelnen Windung ist parallel der resultierenden Windungsfläche des zugehörigen Systems anzuordnen.

Claims (6)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Elektrische Maschine zur Erzeugung spitzer Spannungswellen, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Ständer als Läufer mit gleicher Stromart erregt und ihre induzierten Spulen so zu ihren Erregerspulen angeordnet sind, daß deren resultierende Windungsflächen einen Winkel miteinander einschließen. .
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die induzierten Wicklungen auf dem Ständer allein oder auf dem Läufer allein untergebracht sind.
3. 3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erregenden Spulen so angeordnet sind, daß die einzelnen Windungsflächen parallel der resultierenden Windungsfläche liegen, ,zu dem Zwecke, Überspannungen innerhalb der Spulen zu vermeiden.
4. 4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wechselstromerregung und unmittelbar gekuppeltem oder elektrisch synchron gekuppeltem Erreger der Ständer der Maschine oder des Erregers oder die Kupplung verstellt werden kann, zu dem Zwecke, die Spannungsspitzen zu regeln.
5. 5. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch besondere Schwungmassen zum Ausgleichen der Bewegungswiderstände.
6. 6. Anordnung einer besonderen Erregermaschine für Maschinen nach Anspruch 1, um durch Verminderung des Ohmschen ; Widerstandes im Erregerkreise den magnetischen Kraftfluß während der Drehung möglichst konstant zu halten.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.