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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

- Ja 248827 KLASSE 21 d. GRUPPE- Yes 248827 CLASS 21 d. GROUP

Patentiert im Deutschen Reiche vom 11. Juni 1910 ab. Patented in the German Empire on June 11, 1910 .

Drehstromserienmotoren mit Kollektor werden meist derart ausgeführt, daß die wirksame Windungszahl im Rotor und Stator übereinstimmt. Sie zeigen aber dann zwei Eigenschäften, die sie nicht für alle praktischen Betriebsfälle brauchbar erscheinen lassen; sie besitzen nämlich schlechte Phasenkompensation und haben Instabilität in einem großen Tourenbereiche. Die Phasenverschiebung zwischenThree-phase series motors with a collector are usually designed in such a way that the effective The number of turns in the rotor and stator is the same. But then they show two characteristics, which do not make them appear useful for all practical operational situations; they own namely, poor phase compensation and have instability in a large touring range. The phase shift between

ίο Strom und Spannung wünscht man natürlich möglichst zu kompensieren. Es ist vorgeschlagen worden, zu diesem Zwecke dem Rotor mehr wirksame Windungen zu geben als dem Stator. Es findet dann bei erheblichen Stromstärken eine magnetische Übererregung vom Rotor aus statt, die wegen der kleinen Periodenzahl der Rotorströme beim Laufe nur geringe wattlose Energie erfordert, die ihrerseits durch die Übererregung des Stators mehr als gedeckt werden kann.ίο Of course you want electricity and voltage to compensate if possible. It has been proposed to use the rotor for this purpose to give more effective turns than the stator. It then takes place at significant currents a magnetic overexcitation from the rotor takes place because of the small number of periods the rotor currents only require low wattless energy while running, which in turn more than can be covered by overexcitation of the stator.

Dieses Mittel, das bei hohen Geschwindigkeiten des Motors vorteilhafte Wirkungen auf die Phasenverschiebung ausübt, hat aber bei mäßigen Geschwindigkeiten außerordentliche Nachteile im Gefolge. Es bewirkt nämlich völlig instabilen Betrieb bei Drehzahlen, die erheblich unter dem Synchronismus liegen, und dies ist für viele Betriebe unzulässig. Bereits bei gleichen wirksamen Windungszahlen im Rotor und Stator ist für einen großen Tourenbereich Instabilität vorhanden. Diese zweite unerwünschte Eigenschaft in den praktisch vorkommenden Bereichen zu vermeiden und dabei doch bei mittleren und höheren Tourenzahlen gute Phasenkompensierung zu erreichen, ist das Ziel der Erfindung.This means that at high engine speeds it has beneficial effects exerts the phase shift, but has extraordinary speeds at moderate speeds Disadvantages in the wake. Namely, it causes completely unstable operation at speeds that are significantly below the synchronism, and this is inadmissible for many establishments. Already with the same effective number of turns in the rotor and stator, instability is present for a large touring range. These second undesirable property to avoid in the practically occurring areas and at the same time good phase compensation for medium and high speeds Achieve is the aim of the invention.

In Fig. ι ist das Schema eines Drehstromserienmotors dargestellt. Es bedeuten darin w_st und w_r die Windungen des Stators und des Rotors, W₁ und w₂ die primären und sekundären Windungen eines nach Bedarf vorhandenen Zwischentransformators. Diese Buchstaben mögen in den nachfolgenden Rechnungen gleichzeitig die Zahl der vorhandenen wirksamen Windungen der Wicklungen bezeichnen. Mit α ist der Bürstenverschiebungswinkel benannt, der von der Kurzschlußstellung der Bürsten aus gerechnet werden möge, in der die Rotor- und Statoramperewindungen kein Nutzfeld hervorbringen, sondern sich entgegenwirken. Beim normalen Serienmotor ist das Verhältnis der Windungszahlen von Rotor und Stator einschließlich des Zwischentransformators In Fig. Ι the scheme of a three-phase series motor is shown. In it, w _st and w _r mean the windings of the stator and the rotor, W ₁ and w ₂ the primary and secondary windings of an intermediate transformer that is present as required. In the following calculations, these letters may also denote the number of effective turns of the windings. With α the brush displacement angle is named, which should be calculated from the short-circuit position of the brushes, in which the rotor and stator ampere turns do not produce a useful field, but counteract one another. In a normal series motor, the ratio of the number of turns of rotor and stator including the intermediate transformer is

W_r W-,W _r W-,

5555

Dieses Verhältnis möge die Übersetzung des Motors genannt werden.Let this ratio be called the translation of the engine.

Regelt man die Drehzahl eines solchen Motors von der Übersetzung Eins durch Bürstenverschiebung, dann erhält man nach Versuch und Berechnung Regulierungskurven von einem Verlaufe, der in Fig. 2 dargestellt ist. Jede Kurve der ganzen Schar stellt die Tourenzahl η im Verhältnis zur synchronen Tourenzahl n₀ dar, die bei konstant gehaltenem Drehmomente des Motors erhalten wird. NatürlichIf one regulates the speed of such a motor from the gear ratio one by shifting the brush, then after experiment and calculation one obtains regulation curves of a course which is shown in FIG. Each curve of the entire family represents the number of revolutions η in relation to the synchronous number of revolutions n ₀ , which is obtained with the torque of the motor kept constant. Naturally

entsprechen die höher gelegenen Kurven kleinen, die tiefer gelegenen großen Drehmomenten. Man erkennt nun aus dem Verlaufe dieser Kurven, daß ein ordnungsgemäßer Betrieb des Motors, besonders bei mittleren und kleinen Drehmomenten, nur bei ziemlich hohen Drehzahlen erreichbar ist. Es existiert eine Stabilitätsgrenze — sie ist in Fig. 2 durch die gestrichelte Kurve wiedergegeben ■—, unterhalbthe higher-lying curves correspond to small torques, the lower-lying curves to large torques. It can now be seen from the course of these curves that proper operation of the Motor, especially at medium and low torques, only at fairly high speeds is attainable. There is a stability limit - it is shown in Fig. 2 by the dashed curve shown ■ -, below

ίο deren das Moment des Motors mit zunehmender Drehzahl wächst, mit abnehmender sinkt, so daß er entweder stehen bleibt oder sich auf die höheren stabilen Drehzahlen beschleunigt.ίο whose the torque of the engine is increasing with Speed increases, decreases with decreasing, so that it either stops or stands up the higher stable speeds accelerated.

Die Theorie liefert eine Formel für die Stabilitätsgrenze des Motors. Nennt man die Grenztourenzahl, die eben noch erreicht werden kann, n_s, dann istThe theory provides a formula for the stability limit of the engine. If one calls the limit number of tours that can just be reached, n _s , then is

n_n n _n

cos a cos a

Streuung, Widerstand und Kurzschlußströme, die alle geringe Abweichungen hervorbringen, sind dabei nicht berücksichtigt.Leakage, resistance and short-circuit currents, all of which produce small deviations, are not taken into account.

Diese Beziehung liefert eine einfache Handhabe, um die Stabilitätsgrenze beliebig herabzusetzen. Die Übersetzung des Motors muß, besonders bei größeren Bürstenverschiebungen, erniedrigt werden. Dieselbe Größe K also, die, wie anfangs gezeigt wurde, für die Phasenkompensierung bei Lauf maßgebend ist, ist gleichzeitig bestimmend für die Stabilität des Motors bei geringen Geschwindigkeiten. In Fig. 3 sind verschiedene Stabilitäts - Grenzkurven eingezeichnet, die gestrichelten KurvenThis relationship provides a simple means of lowering the stability limit at will. The gear ratio of the motor must be reduced, especially with larger brush displacements. The same variable K , which, as was shown at the beginning, is decisive for the phase compensation during running, is at the same time decisive for the stability of the motor at low speeds. Various stability limit curves are shown in FIG. 3, the dashed curves

werden für konstante Übersetzung erhalten; sie sind nicht sehr günstig, da sie alle für größere Bürsten winkel stark ansteigen. Die strichpunktierten Kurven erhält man für eine Übersetzung, die wie der Cosinus des Bürstenwinkeis abnimmt; sie sind erheblich günstiger und geben im ganzen Regulierbereiche überall konstante Stabilität.are obtained for constant translation; they are not very cheap as they are all for larger brush angles increase sharply. The dash-dotted curves are obtained for a Gear ratio that decreases like the cosine of the brush angle; they are considerably cheaper and give constant stability throughout the regulation area.

Vollkommen stabil wird der Motor fürThe engine becomes completely stable for

K = cos α, K = cos α,

wenn die Übersetzung also vom Werte Eins anfangend proportional mit der Projektion der Bürstenlage auf die Anfangslage geregelt wird. Die dann erhaltenen Drehmomentskurven sind in Fig. 4 dargestellt und zeigen deutlich den Fortschritt, der durch diese Regulierung erzielt wird. Wie die Regulierung der Übersetzung praktisch erreicht werden kann, darauf soll später eingegangen werden.if the translation starts from the value one proportional to the projection of the Brush position is regulated to the initial position. The torque curves then obtained are in Fig. 4 and clearly show the progress made by this regulation will. How the regulation of the translation can be practically achieved on it should be received later.

Es ist nun aus den Kurven der Fig. 3 zu ersehen, daß es nicht möglich ist, einen Motor für denselben Bürstenwinkel gleichzeitig zu stabilisieren und zu kompensieren, falls man die Übersetzung nicht etwa mit der Drehzahl ändert. Entweder erzielt man durch eine Übersetzung, die größer als Eins ist, gute Kompensierung, dann wird die Stabilitätsgrenze verschlechtert ; oder man verschiebt durch eine eventuell regelbare Übersetzung, die kleiner als Eins ist, die Stabilitätsgrenze nach unten, dann erhält man schlechte Phasenverschiebung. It can now be seen from the curves of FIG. 3 that it is not possible to use a motor to stabilize and compensate for the same brush angle at the same time, if one the translation does not change with the speed. Either one achieves through a translation, which is greater than one, good compensation, then the stability limit is worsened ; or one shifts the smaller one through a possibly controllable translation as one is the stability limit downwards, then one obtains bad phase shift.

Für den praktischen Arbeitsbereich des Motors ist es nun im allgemeinen nicht erforderlich, bei jedem beliebigen Bürstenwinkel sowohl Stabilität als auch Kompensierung zu erhalten. Der Motor arbeitet vielmehr bei kleinen Bürsten winkeln fast stets mit hohen Drehzahlen, so daß hier die Rücksicht auf die Stabilitätsgrenze nicht eingehalten zu werden braucht und man die Übersetzung gleich oder größer als Eins wählen darf, um gute Kompensierung zu erzielen. Bei größeren Bürstenwinkeln andererseits arbeitet der Motor bei einigermaßen erheblichen Drehmomenten sowieso nur mit geringen Drehzahlen, so daß man an sich — wegen der geringen Kollektorgeschwindigkeit — keine erhebliche Kompensierung erzielen kann. Hier ist es zweckmäßig, ganz auf die Kompensierung zu verzichten, die Übersetzung vielmehr so klein zu halten, daß auch bei den geringen Drehzahlen noch Stabilität herrscht. Die Grenze zwischen den beiden Bereichen liegt im allgemeinen zwischen 30⁰ und 50⁰ Bürstenverschiebung aus der Kurzschlußlage. In Fig. 3 gibt die vollausgezogene Kurve ein Bild der eben geschilderten Verhältnisse. In Fig. 5 ist in der ausgezogenen Kurve die Übersetzung abhängig vom Bürstenwinkel für dieselben Bedingungen dargestellt. Die strichpunktierten Kurven derselben Figur zeigen variable Übersetzungen an, die nach Fig. 3 konstante Stabilitätsgrenzen bewirken.For the practical working range of the motor it is now generally not necessary to obtain both stability and compensation at any given brush angle. Rather, the motor works almost always at high speeds with small brush angles, so that the stability limit does not need to be observed here and the translation can be selected equal to or greater than one in order to achieve good compensation. In the case of larger brush angles, on the other hand, the motor works anyway only at low speeds with somewhat considerable torques, so that - because of the low collector speed - no significant compensation can be achieved. Here it is advisable to forego the compensation entirely, rather to keep the translation so small that stability still prevails even at the low speeds. The boundary between the two areas is generally between 30 ⁰ and 50 ⁰ brush displacement from the short-circuit position. In Fig. 3, the full curve gives a picture of the relationships just described. In FIG. 5, the solid curve shows the translation as a function of the brush angle for the same conditions. The dash-dotted curves of the same figure indicate variable gear ratios which, according to FIG. 3, cause constant stability limits.

Die Veränderung der Übersetzung des Motors läßt sich auf verschiedenartigem Wege erzielen. Entweder regelt man die Windungszahlen des Zwischentransformators oder die wirksamen Windungszahlen von Stator oder Rotor des Motors. Die Änderung der wirksamen Rotorwindungszähl ist besonders zweckmäßig, sie läßt sich sehr einfach durch Anwendung von Doppelbürstensätzen in jeder Phase erreichen. Eine gemeinsame Drehung beider Bürstensätze ändert dann nur den wirk- no samen Bürsten winkel, eine Drehung der Bürstensätze gegeneinander ändert nur die Übersetzung. The translation of the engine can be changed in different ways achieve. Either you regulate the number of turns of the intermediate transformer or the effective number of turns of the stator or rotor of the motor. Changing the effective Rotor winding counting is particularly useful, it can be very easily applied of double brush sets in each phase. Rotating both sets of brushes together then only changes the effective no seed brush angle, a rotation of the brush sets against each other only changes the translation.

Fig. 6 zeigt einen Doppelbürstensatz für eine Phase. Die durch schwarze Rechtecke angedeuteten Bürsten stellen die Lage in der Kurzschlußstellung dar, in der beide Bürsten diametral stehen mögen; die nur durch Linien umrandeten Bürsten stellen eine beliebige Betriebsstellung dar. α ist der wirksame Bürstenwinkel, der der gemeinsamen Verschiebung entspricht; β möge den Winkel bezeichnen.Fig. 6 shows a double brush set for one phase. The brushes indicated by black rectangles represent the position in the short-circuit position in which the two brushes may be diametrically opposed; the brushes only framed by lines represent any operating position. α is the effective brush angle which corresponds to the common displacement; Let β denote the angle.

um den die Bürsten gegeneinander verschoben sind. Die beiden Bürsten jeder Phase können an die sekundäre Phasenwicklung eines Transformators angeschlossen sein und werden zweckmäßig mit den anderen Phasen nicht verkettet. Die Statorwicklung des Motors kann nach Belieben in Serie zur Primär- oder Sekundärwicklung des Transformators liegen. Da die wirksame Ankerwindungszahl proportional der Sehne zwischen den beiden Bürsten ist, so istby which the brushes are shifted against each other. The two brushes of each stage can be and will be connected to the secondary phase winding of a transformer expediently not linked to the other phases. The stator winding of the motor can be in series with the primary or secondary winding of the transformer as desired. Since the effective number of anchor turns is proportional to the chord between the two brushes, so is

K = K₀- cos ß, K = K ₀ - cos ß,

wobei K₀ den Maximalwert der Übersetzung bei diametralen Bürsten bedeutet. Setzt man diesen Wert in die Formel für die Stabilitätsgrenze ein, dann folgtwhere K _{0 means} the maximum value of the translation for diametrical brushes. If you insert this value into the formula for the stability limit, then it follows

cos α
cos ßcos α
cos ß

n.n.

Zu jeder gegebenen Stabilitätskurve, die nach den oben durchgeführten Betrachtungen gewählt wird, läßt sich auf Grund dieser Beziehung die Zugehörigkeit der beiden Bürsten-Stellungen zueinander finden. Auf bekannte Weise, durch Leitkurven oder ähnliche Vorrichtungen, kann die gewollte Abhängigkeit der Bürstenlagen mechanisch realisiert werden. Besonders einfach werden die Verhältnisse, wenn man derart reguliert, daß die Stabilitätsgrenze unabhängig von der Bürstenstellung wird, und daß die maximale Übersetzung K₀ der Kurzschlußstellung entspricht. Dann arbeitet man auf den strichpunktierten Kurven der Fig. 3. K₀ wird man dann mindestens gleich Eins, besser sogar etwas größer wählen; die rechte Seite der letzten Gleichung wird im ganzen Bereiche gleich Eins, so daß die Winkel α und β stets einander gleich werden.For every given stability curve, which is selected according to the considerations carried out above, the association of the two brush positions with one another can be found on the basis of this relationship. In a known way, by means of guide curves or similar devices, the desired dependency of the brush positions can be realized mechanically. The situation becomes particularly simple if one regulates in such a way that the stability limit becomes independent of the brush position and that the maximum gear ratio K ₀ corresponds to the short-circuit position. Then one works on the dash-dotted curves of FIG. 3. K ₀ will then be chosen to be at least equal to one, better even somewhat larger; the right-hand side of the last equation becomes one in the whole range, so that the angles α and β always become equal to one another.

Fig. 6 lehrt, daß unter diesen Umständen eine Bürste jeder Phase in Ruhe bleiben muß, und zwar muß sie in der Kurzschlußlage stehen bleiben, allein die andere Bürste wird gedreht und übernimmt die gewollte Regulierung des Motors. Völlige Stabilisierung bei größeren Bürstenwinkeln und dennoch gute Kompensierung bei kleinen ist natürlich mit dieser einfachsten Reguliermethode nicht zu erreichen. Immerhin wird sie bei nicht zu scharfen Fahrbedingungen gute Dienste leisten. Zur Verbesserung der Verhältnisse kann man auch die eine Bürste von Hand verschieben und damit den Motor regeln, die andere dagegen selbsttätig abhängig von der Drehzahl, Stromstärke, Ankerspannung o. a. verstellen lassen, so daß je nach Bedarf automatisch auf Stabilisierung oder Kompensierung eingestellt wird.Fig. 6 teaches that under these circumstances a brush of each phase must remain at rest, and although it must remain in the short-circuit position, only the other brush is turned and takes over the intended regulation of the motor. Complete stabilization for larger ones Brush angles and still good compensation for small ones is of course with this one the simplest regulation method cannot be achieved. After all, it will work if the driving conditions are not too harsh do good service. To improve the conditions, you can move one brush by hand and with it regulate the motor, the other, on the other hand, automatically depending on the speed, current strength, Armature voltage or similar Can be adjusted so that automatically on stabilization as required or compensation is set.

Claims

Patent Claims:

1. Procedure for stabilizing the speed and compensating for the phase shift of three-phase series motors with adjustable speed, characterized in that the ratio of the effective Number of turns of rotor and stator winding including one as required existing intermediate transformer is changed in such a way that it is effective at large Brush shifts from the short-circuit position smaller than one, with small ones Brush displacements, on the other hand, only with regard to the phase compensation, as before becomes equal to or greater than one.

2. Device for performing the method according to claim 1 by means of double brush sets for each phase on the collector, characterized in that only one set of brushes is movable and the other remains in the short-circuit position or one of these very adjacent positions.

3. Device for performing the method according to claim 1 by means of double brush sets on the collector, characterized in that a set of brushes is arbitrary is movable and the other is adjusted by the operating variables of the engine.

For this purpose ι sheet of drawings.