DE246879C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PAfENTAMT.

Die Erfindung betrifft eine Maschine zur Erzeugung von Gleichstrom, welche bei konstanter Drehzahl eine konstante Leistung verbraucht bzw. an den Bürsten abzunehmen gestattet, bei welcher also mit wachsender Stromentnahme aus dem Anker die zwischen beiden Bürsten herrschende Spannung in dem Grade verringert wird, daß das Produkt aus dieser Spannung und der Stromstärke annähernd stets den gleichen Wert hat. Derartige Maschinen sind beispielsweise für die elektrische Zugbeförderung erwünscht, wenn zum Antrieb der Maschine, die ihrerseits die die Räder des Zuges umdrehenden Elektromotoren speist, ein Wärme-

¹S motor dienen soll, der nicht überlastet werden kann, mit konstanter Drehzahl läuft und am vorteilhaftesten mit möglichst gleichbleibender Leistung betrieben wird.

Damit Konstanz der Leistung eintritt, muß der prozentuale Abfall der Spannung jeweils gleich dem prozentualen Anstieg des Stromes sein, Diese Bedingung wird in Form eines Kurvendiagramms durch eine gleichseitige Hyperbel ausgedrückt, deren Abszissen die Stromstärke i und deren Ordinaten die jeweils zugehörige Spannung e darstellen. Bei dieser Kurve (s. Fig. ι der Zeichnung) ist das Produkt aus Abszisse χ mal Ordinate y konstant für jeden beliebigen Wert der Abszisse.

Es sind bereits Schaltungen vorgeschlagen worden, welche ein selbsttätiges Sinken der Spannung an den Maschinenbürsten bei wachsender Stromentnahme dadurch erzielen, daß. das 45

auf den Anker wirkende Magnetfeld durch die Differenz zweier magnetischer Kräfte gebildet wird. Beispielsweise wird der vom Anker entnommene Nutzstrom durch eine Hauptwicklung der Magnetpole und außerdem durch eine auf denselben Polen angeordnete, mit der Hauptwicklung hintereinander geschaltete Gegenwicklung geleitet, deren erregende Kraft bei anwachsendem Nutzstrom von einer bestimmten Größe dieses Stromes an stärker zunimmt als die erregende Kraft der Hauptwicklung. Die Differenz dieser einander entgegenwirkenden Magnetfelder liefert ein resultierendes Magnetfeld, welches bei steigender Stromentnahme schwächer wird. Jedoch ist die diagrammätische Spannungskurve bei konstanter Drehzahl nicht entfernt eine Hyperbel, sondern von gerade entgegengesetztem Charakter, d. h. sie ist nicht nach der Abszissenachse zu (nach unten), sondern nach oben ausgebogen (s. Fig· 2 der Zeichnung). Der Grund hierfür liegt in dem unmittelbaren Gegeneinanderwirken der magnetischen Kräfte. Denn dieses erfordert, daß über den Punkt (0 in Fig. 3) hinaus, wo die Wirkung des Gegenfeldes (Kurve G) beginnen soll, das Hauptfeld (KurveiZ) nur noch wenig, und zwar in stetig abnehmendem Maße ansteigt, während das Gegenfeld (Kurve G) stark, d. h. fast nach einer geraden Linie im Diagramm ansteigt. Nimmt man beispielsweise an, daß von dem erwähnten Punkt an das Hauptfeld zufolge voller magnetischer Sättigung des Feldpoleisens überhaupt kon-

stant bleibt (im Diagramm also eine Parallele ■ zur Abszissenachse darstellt), so würde bestenfalls das Differenzfeld durch eine abfallende Gerade im Diagramm, nicht aber durch eine nach unten gebogene hyperbelähnliche Kurve .dargestellt werden.

Gemäß vorliegender Erfindung wird daher das etwa unmittelbar vom steigenden Nutzstrom erzeugte Hilfsfeld so angeordnet, daß es,

ίο anstatt dem Hauptfeld entgegenzuwirken und mit diesem ein resultierendes Feld zu bilden, ebenso wie das Hauptfeld induzierend auf den Anker wirkt, und zwar im umgekehrten Sinne als das Hauptfeld. Auf diese Weise wird in den Windungen der Ankerwicklung durch das Hilfsfeld eine elektromotorische Gegenkraft entwickelt, die der vom Hauptfeld erzeugten elektromotorischen Kraft in steigendem Maße entgegenwirkt. An die Stelle der magnetischen Felddifferenz tritt also eine elektrische Differenz im Nutzstronikreis. Dabei kann das Hilfsfeld auch auf einen eigenen Anker oder auf besondere, dem Hauptfeld entzogene Teile der Ankerwicklung wirken, so daß gewissermaßen zwei Einzelmaschinen gegeneinander arbeiten.

Es sei bemerkt, daß es bei Nebenschlußelektromotoren bekannt ist, Nebenpole anzuordnen, um bei veränderlicher Belastung die Umlaufzahl konstant zu halten. Es ist natürlich nicht möglich, etwa durch Betreiben eines derartigen Motors als Dynamo den hier beabsichtigten Zweck zu erreichen, da hierzu die für jene Umlaufregelung günstige magnetische Anordnung nicht geeignet ist. Sie würde bei sinkender Spannung eine abnehmende Gegeninduktion im Anker anstatt einer steigenden, die hier nötig ist, erzeugen.

Das Hauptfeld kann nunmehr, unabhängig von der Regelung des Gegenfeldes, durch die bekannten Mittel (Verbundwicklung, Wendepole) eine für möglichste Annäherung der Leistungskurve an die gleichseitige Hyperbel günstigste Charakteristik erhalten. Ist diese Charakteristik etwa durch eine allmählich abfallende Gerade H im Diagramm Fig. 4 dargestellt; so wird das Gegenfeld durch einen schon bei verhältnismäßig schwacher Erregung gesättigten Eisenkreis gebildet, welchem also eine zuerst mehr, dann weniger ansteigende Kurve G im Diagramm entspricht. Die Differenzen D der Ordinatenwerte beider Linien stellen dann in beliebigen Graden der Annäherung eine hyperbelähnliche Kurve dar (vgl.

Fig. 1). Die stärkere Sättigung der Gegenpole kann außer durch die Abmessungen noch durch Wahl eines geeigneten magnetischen Materials erzielt werden.

Die Erzeugungsweise des Hauptfeldes ist bei dieser rein elektrischen Regelungsmethode durchaus unabhängig von derjenigen des Hilfsfeldes. Das Hauptfeld kann z. B. anstatt durch den Nutzstroni durch einen von den Bürsten unmittelbar abgenommenen Zweigstrom erzeugt werden. Das Hilfsfeld seinerseits braucht' ebenfalls nicht durch den Nutzstrom selbst gebildet zu werden, sondern kann z. B. einer Hilfsdynamo entnommen werden, deren Antriebsmotor (Reihenmotor) vom Nutzstrom betrieben wird. Dieser Motor läuft desto schneller, je mehr Nutzstrom durch ihn fließt, und erzeugt an den Klemmen der,Hilfsdynamo (die z. B. eine Nebenschlußdynamo ist) eine entsprechend wachsende Spannung, die einen entsprechend wachsenden Strom durch die Hilfsmagnete der Hauptmaschine sendet. Eine derartige selbsttätige Regelung der Spannung ist vorteilhaft, da sie eine ständige Überwachung entbehrlich macht und selbst bei stark schwankender Stromentnahme augenblicklich wirkt. Doch kann die Regelung auch von Hand (durch Widerstandsänderung) erfolgen.

In Fig. 5 der Zeichnung ist der magnetische Aufbau und die Schaltung des Haupt- und Hilfsfeldes in einer Ausführungsform schematisch dargestellt. Um eine Verkettung beider Magnetfelder möglichst zu verhindern, werden zweckmäßig die Pole des Hilfsmagnetsystems nicht zwischen die Hauptpole auf dem Umfang des Ankers eingeschoben, sondern neben diesen.in Richtung der Ankerachse als selbständiges Polsystem angeodnet, wie Fig. 5 ,zeigt. Der Trommelanker A der Maschine, welcher um die Welle b drehbar ist, ist im Querschnitt dargestellt. Von seiner Wicklung sind nur zwei wirksame Leiter c und d dargestellt, die miteinander und mit den übrigen Leitern durch die bekannte Trommelwicklung verbunden sind. B ist der Kommutator mit den Bürsten h, von welch letzteren nur zwei gegenüberliegende gezeichnet sind. Die Hauptpole sind mit H, die Hilfspole mit K bezeichnet, und es sind nur je ein Paar gegenüberliegende Pole beider Felder dargestellt.

Jeder der Leiter c, d ist zu einem Steg e oder f des Stromwenders B geführt, von dem der Nutzstrom durch die Bürsten h abgenommen wird. Dieser Strom durchfließt die Wicklung 1 der Hauptpole H, die den Anker kreisförmig umgeben, und tritt dann in den äußeren Stromkreis 3 ein, der die Zugmotoren enthält. Beispielsweise wird durch diesen Strom der obere Pol nordmagnetisch (angedeutet durch den Buchstaben N), der untere südmagnetisch (angedeutet durch den Buchstaben S), so daß das auf den Anker A wirkende Magnetfeld dieser Hauptpole die Richtung der Pfeile I hat. Das Feld durchsetzt den Anker nicht in gerader Linie, sondern wird nach bekannter Art. zwischen den im Kreise stehenden Nachbarpolen gebildet. Die Hilfspole K sind in gleicher Art angeordnet und dargestellt, doch wird ihre Wick-

lung vom Hilfsstrom derart erregt, daß das im Anker erzeugte Feld die Richtung der Pfeile II hat, also die entgegengesetzte induzierende Wirkung auf die Leiter ';, d ausübt wie die Felder I. Eine zwischen die Bürsten geschaltete zweite AVicklung 2 der Hauptpole stellt zusammen mit Wicklung 1 die bekannte Verbundwicklung dar, welche die Kurve H in Fig. 4 erzeugt.

In Fig. 6 ist schematisch die Schaltung einer Maschine dargestellt, deren Hauptfeld H durch einen konstanten Strom, z. B. den Strom einer Akkumulatorenbatterie, erregt wird. Hier durchfließt der von den Bürsten h des Ankers A abgenommene Nutzstrom, bevor er in den äußeren Kreis 3 übertritt, die Wicklung der Hilfspole K. Auf diesen Polen ist noch eine beispielsweise ebenfalls durch konstanten Strom erregte Wicklung T angebracht, die die Wirkung der Wicklung K aufhebt, bis die Stromstärke in letzterer, d. h. der Nutzstrom eine bestimmte Größe erreicht hat. Im Diagramm Fig. 7 stellt die Kurve e-H die vom Hauptfeld H in der Ankerwicklung erzeugte Spannung, die Kurve e-K die vom Hilfsfeld K in derselben Wicklung erzeugte Gegenspannung dar. . Die Differenz dieser Spannungen, die Nutzspannung, ist dann durch die Kurve E dargestellt. Die Gegenwirkung des Feldes T drückt sich dadurch aus, daß die Spannungskurve e-K nicht im Nullpunkt O, sondern erst bei einem Punkt X₁ der Abszissenachse beginnt, welchem ein gewisser Wert J₁ des Nutzstromes entspricht. Die Folge ist, daß die Nutzspannung nicht schon sofort bei der geringsten Stromentnahme, sondern erst von dem Punkt η an, wo die Regelung erforderlich wird, hyperbolisch abfällt.

In manchen Fällen ist es vorteilhaft, wie Fig. 8 zeigt, den Gleichstromgenerator A in bekannter Weise durch eine besondere, z. B. mit Nebenschlußwicklung H versehene Hilfsmaschine / zu erregen, welche außerdem noch die proportional dem Nutzstrom erregte Gegenwicklung K aufweist. Letztere wird nun gemäß der Erfindung auf besondere Nebenpole der Hilfsmaschine gewickelt, die von deren Hauptpolen magnetisch getrennt sind. Wenn der Nutzstrom im Außenkreis 3 wächst, steigt die Gegenwirkung des Kompensationsfeldes K der Maschine /, deren Ankerbürstenspannung daher entsprechend dem Hyperbelgesetz sinkt. Dementsprechend sinkt die induzierende Kraft des Feldes M der Maschine A, so daß deren Leistung konstant bleibt.

Wie erwähnt, hat die Schaltung nach Fig. 8 bereits Verwendung gefunden, aber im wesentlichen nur, um bei wechselnder Drehrichtung einer Dynamomaschine die Bürstenpolarität derselben konstant zu erhalten, also eine Umkehrung des Nutzstromes zu verhindern. Ein solcher regelnder Zweck kommt bei vorliegender Erfindung nicht in Betracht, vielmehr handelt es sich hier darum, eine günstige Arbeitsverteilung auf eine Haupt- und eine Hilfsmaschine zu erzielen, so daß die Abmessungen der Hauptmaschine geringer werden und durch Hinzufügung der Hilfsmaschine jede vorhandene Dynamo dem Zweck der Erfindung angepaßt werden kann. Während diese Wirkung sich bei den bekannten Anwendungen der Schaltung nur nebenher ergibt, stellt die Maschinenteilung hier eine Weiterbildung der eigentlichen Erfindung dar. Diese ist dadurch charakterisiert, daß das Nebenpolprinzip anstatt auf die Hauptmaschine auf die Hilfsmaschine angewendet wird, an welcher es ohne große Kosten durchgeführt werden kann.

Claims (3)

Patent-Ansprüche:

1. Gleichstromgenerator für konstante Leistung bei konstanter Umlaufzahl, dessen Nutzspannung durch ein mit wachsendem Nutzstrom wachsendes Gegenfeld vermindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenfeld in besonderen, von den Hauptpolen magnetisch getrennten Nebenpolen erzeugt wird, zum Zwecke, von einer gewissen, die untere Betriebsgrenze bildenden Nutzstromstärke an aufwärts beide Magnetfelder unabhängig voneinander so regeln zu können, daß die Nutzleistungscharakteristik der Maschine sich beliebig einer gleichseitigen Hyperbel nähert.

2. Gleichstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit bekannten Mitteln (z. B. durch eine Gegenwicklung T) erst von einer bestimmten, oberhalb der unteren Betriebsgrenze liegenden Nutzstromstärke ab (Punkt χ_Λ, Fig. 7) das Gegenfeld zur Wirkung gebracht wird, zum Zwecke, den Nutzungsbereich der Maschine zu vergrößern.

3. Gleichstromgenerator nach Anspruch 1 und 2, bei dem die vom Hauptfeld allein hervorgerufene Charakteristik annähernd nach einer Geraden verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herabdrückung dieser Charakteristik auf einen hyperbolischen Verlauf die Nebenpole (K) so ausgeführt sind, daß sie sich bei einer die untere Betriebsgrenze überschreitenden Nutzstromstärke verhältnismäßig rasch sättigen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.