DE260319C

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Publication number: DE260319C
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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 260319 KLASSE 21 d. GRUPPE

mit dem Kommutator verbunden ist.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. August 1911 ab.

Bekanntlich kann man die Geschwindigkeit eines Mehrphasenkommutatormotors dadurch regeln, daß dem Läufer eine regelbare Spannung zugeführt wird. Zu diesem Zweck ist entweder ein Induktionsregler oder ein Reguliertransformator oder auch eine Regulierwicklung am Ständer mit mehreren Anschlüssen erforderlich. In den beiden letzteren Fällen muß außerdem ein Kontroller zur Ausführung

ίο der Regelung vorgesehen sein. Ferner müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, um einen guten Leistungsfaktor zu erreichen; an Motoren mit Regulierwicklung am Ständer wurde zu diesem Zweck beispielsweise ein kleiner Magnetisierungstransformator verwen-. det. Ohne einen solchen Transformator würde der Leistungsfaktor sehr niedrig ausfallen, was darauf zurückzuführen ist, daß der Strom im Sekundärstromkreis dieselbe Wechselzahl wie

ao der Netzstrom aufweist.

Die Erfindung betrifft einen Kommutatormotor des Induktionstypes, bei dem eine weitergehende Geschwindigkeitsregelung in einfacher Weise durch Bürstenverschiebung erreicht werden kann, und der ohne besondere Hilfsvorrichtungen einen guten Leistungsfaktor aufweist. Der Arbeitsstrom wird in bekannter Weise dem Läufer durch Schleifringe zugeführt, und die Erfindung kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch, daß die mehrphasige sekundäre Arbeitswicklung aus elektrisch getrennten Ph äsen wicklungen besteht, die jede für sich mittels zweier Bürsten über einem regelbaren Teil einer als Regulierwicklung dienenden, geschlossenen Gleichstromwicklung mit Kommutator kurzgeschlossen ist.

Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, die Geschwindigkeit von derartigen Drehstromkollektormotoren mit Nebenschlußcharakteristik durch Bürstenverschiebung zu regulieren, bis jetzt war aber noch keine brauchbare Lösung gefunden. Beispielsweise ist schon im Jahre 1902 eine derartige Anordnung in der E. T. Z. 1902, Seite 1075 bis 1081 beschrieben worden. Zu einem praktischen Erfolg dürfte aber dieser Vorschlag nicht geführt haben, was darauf zurückzuführen ist, daß Motoren nach Fig. 3 und 4 des genannten Aufsatzes überhaupt nicht arbeiten können. Dies hat seinen Grund darin, daß der Läufer eine geschlossene Wicklung hat, d. h. daß die einzelnen Phasen unter sich verbunden sind. Führt man z. B. bei dem Motor nach Fig. 3 des genannten Aufsatzes — Fig. 4 weist genau dieselbe Anordnung auf — den Schleifringen Drehstrom zu, so erhält man ein Drehfeld, dessen Größe nur von der Netzspannung und der Netzperiodenzahl abhängt. Denkt man sich ferner die

Bürsten b₂ und b_t vom Kommutator abgehoben, so daß nur die Bürsten S₁ und b₃ auf dem Kollektor schleifen, wie in Fig. 4 der beiliegenden Zeichnung, dann ist damit die Geschwindigkeit N_r des Motors völlig bestimmt. Sie ergibt sich aus der Formel

N₁- =

60 · c

+. w_r

!D,

(die unten abgeleitet wird), denn nur bei dieser Geschwindigkeit sind die beiden Spannungen e_s und e_r im Stromkreise A-b^h^-B miteinander in Gleichgewicht. Die beiden anderen Bürsten dürfen nun nicht willkürlich auf dem Kommutator verschoben werden, wie in Fig. 3 des obigen Aufsatzes, denn dadurch würden mehrere Stromkreise entstehen, deren jeder für sich eine andere Geschwindigkeit bedingen würde. Außerdem dürfen die beiden Bürsten B₁ und b_s überhaupt nur so stehen, daß der Teil A-B der Statorwicklung dieselbe Achsenrichtung hat wie der Teil S₃-S₁ der Rotorwicklung. Damit diese Achsenrichtung beibehalten wird, dürfen die beiden Bürsten S₁ und b₃ nur entgegengesetzt und gleichviel verschoben werden. Eine Regulierung durch Bürstenverschiebung wäre bei der bekannten Anordnung nur dann möglich, wenn nur zwei Bürsten vorhanden sind, d. h. bei einphasigem Rotor. Einphasige Rotoren haben aber bekanntlich andere Nachteile.

Wird dagegen die im Ständer liegende sekundäre Arbeitswicklung mit elektrisch getrennten Phasenwicklungen ausgeführt und jede Phasenwicklung mittels zweier gegeneinander verschiebbarer Bürsten über einem regelbaren Teil der Gleichstromwicklung geschlossen, so werden die erwähnten Nachteile der bekannten Anordnung vermieden.

Auf der Zeichnung sind in Fig. 1. bis 3 drei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.

In Fig. ι bezeichnet P eine am Läufer angebrachte Dreiphasenwicklung, die durch Schleifringe und Bürsten mit dreiphasigen Speiseleitungen verbunden werden kann. R ist eine als geschlossene Gleichstromwicklung ausgeführte Regulierwicklung·, die gleichfalls am Läufer angebracht und mit Kommutator versehen ist. Zu diesem Kommutator gehören drei Bürstenpaare ^₁-S₁, ^₂-S₂ und «₃-5₃. Die Bürsten a_v a₂, a_s werden zweckmäßig auf einer gemeinsamen Bürstenbrücke und die Bürsten S₁, S₂, S₃ auf einer anderen Bürstenbrücke angeordnet. Beide Bürstenbrücken sind für sich drehbar. S₁, S₂, S₃ sind die drei Phasen einer am Ständer angebrachten dreiphasigen Sekundärwicklung, und die genannten Wicklungen sind für sich an die Bürstenpaare a_x-b_x, a₂-b₂ bzw. «₃-S₃ angeschlossen und somit durch die zwischen den Bürsten liegenden Teile der Regulierwicklung R kurzgeschlossen. Der Primärteil des Motors wird also von der Wicklung P, der Sekundärteil von den mit Teilen der Regulierwicklung in Reihe geschalteten Wicklungen S₁, S₂, S₃ gebildet.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Motors ist folgende:

Angenommen, daß der Primärwicklung P dreiphasiger Wechselstrom von den Speiseleitungen zugeführt wird, und daß die Kommutatorbürsten der Regulierwicklung derart eingestellt sind, daß der Winkel zwischen den Bürsten ^₁-S₁, a₂-b₂ und a_s-b_s — Null ist und somit die Ständerwicklungen S₁, S₂, S₃ unmittelbar kurzgeschlossen sind, so läuft der Motor beinahe synchron und hat dieselbe Wirkungsweise wie ein gewöhnlicher Induktionsmotor, d. h. die Poriodenzahl der Sekundärstromkreise ist der Schlüpfung proportional. Werden dagegen die beiden Bürstenbrücken gegeneinander gedreht, derart, daß variierende Teile der Regulierwicklung R mit je einer der Ständerwicklungen in Reihe geschaltet werden, so wird eine Geschwindigkeitsregelung erhalten, die sich in folgender Weise berechnen läßt.

Wenn c die Periodenzahl des Netzstromes und 2p die Polzahl des Motors ist, rotiert das Feld gegenüber dem Läufer mit einer Geschwindigkeit η =

Umdrehungen pro Minute.

n,- = η

Wird die Umdrehungszahl des Läufers pro Minute mit n_r und die wirkliche Umdrehungszahl des Feldes pro Minute mit n/ bezeichnet, so ist immer

Das Feld induziert zwischen den Bürsten (Z₁-S₁ (bzw. «₂-6₂ und a₃-6₃) eine Spannung mit einer Periodenzahl ce = --J— und im Ständer

^J DO

eine Spannung derselben Periodenzahl.
Die Spannung zwischen Ci₁ und S₁ ist

e_r = const, c · w_r · φ,

wobei φ die Größe des Feldes und w_r die Anzahl Windungen in dem zwischen den Bürsten liegenden Teile der Regulierwicklung bedeutet. Die Spannung in jeder Ständerphase ist:

const.

w.

wobei φ dieselbe Bedeutung wie oben hat und w„ die Anzahl Windungen pro Ständerphase bezeichnet.

Der Läufer ist bestrebt, eine Geschwindigkeit anzunehmen, bei der die Spannungen e_r und e_s gleich groß sind;

w_s

w_r oder Cf =

c ·. w,-

Das Feld rotiert mit einer Geschwindigkeit 6θ· Cf

und, wie erwähnt, gegenüber dem

Läufer mit einer Geschwindigkeit η = >

damit ergibt sich aus n_r = η +_ η/

6o_

[C + Cf) =

60 c (w_s +_ ze¹,-)

W,

Hieraus ist ersichtlich, daß man die Geschwindigkeit des Motors in untersynchrone oder übersynchrone Geschwindigkeit durch Änderung von w_r, d. h. des zwischen den Bürsten liegenden Teiles der Regulierwicklung, verändern kann.

Voraussetzung dafür, daß e_r und e_s einander aufheben können, ist, wie erwähnt, daß die Sekundärwicklung und der jeweilig, verwendete Teil der Regulierwicklung dieselben Achsen haben, so daß die Spannungen e,- und e_s dieselbe Phase aufweisen. Es kann jedoch unter Umständen vorteilhafter sein, die Achsen dieser Wicklungen um einen geringen Betrag gegeneinander zu verschieben; wodurch die Spannungen e_r und e_s eine Resultante geben, durch welche die Phasenverschiebung des Motors kompensiert werden kann. Die berechneten Geschwindigkeiten erfahren hierdurch nur eine unbedeutende Beeinflussung.

In Fig. 2 ist eine andere Ausführung der Erfindung dargestellt, bei der die Regulierwicklung und die Hauptwicklung des Motors zusammengeschaltet sind, so daß der Hauptstrom auch die Regulierwicklung durchfließt.

Anordnung und Wirkungsweise sind im übrigen dieselben wie bei Fig. 1. Gegebenenfalls kann diese Ausführungsform so verändert werden, daß die ganze Primärwicklung gleichzeitig die Regulierwicklung bildet. In diesem letzteren Fall muß jedoch eine verhältnismäßig niedrige Spannung im Primärstromkreis verwendet werden.

Die wichtigsten Vorteile des Erfindungsgegenstandes gegenüber der jetzt in der Praxis ausschließlich vorkommenden Kommutatormotoren mit Regulierwicklung im Stator (vgl. Patent 213733) sind folgende:

1. Der Kontroller fällt weg, und weil dieser sehr teuer ist, besonders wenn eine größere Anzahl Geschwindigkeitsstufen erreicht werden soll, so wird die ganze Einrichtung dadurch bedeutend billiger und auch bedeutend einfacher.

2. Die Regulierung ist kontinuierlich, während bei den bekannten Einrichtungen mit Kontroller lediglich eine beschränkte Anzahl Geschwindigkeitsstufen erhalten werden kann.

3. Die Kommutierung ist verbessert, weil die Transformatorspannung sehr niedrig gehalten werden kann. Dies ist aus folgender

Überlegung ersichtlich, wobei zwei für dieselben Verhältnisse gebaute Motoren — der eine nach dem Prinzip dieser Erfindung und der andere nach dem alten Prinzip mit Regulierwicklung im Stator — miteinander verglichen werden. Die Hauptabmessungen, wie die Eisen- und Kommutatorabmessungen und die Lamellenzahl seien in beiden Fällen dieselben. Weiter sei die Sekundärspannung dieselbe, folglich sind auch die Sekundärströme und die Bürstenfläche gleich. Wird eine Regulierung zwischen 50 Prozent untersynchron und 50 Prozent übersynchron (also 1: 3) ange Kommen, dann muß bei dem Motor vorliegender Erfindung die effektive Windungszahl der Regulierungswicklung gleich 50 Prozent der effektiven Windungszahl der Sekundärarbeitswicklung sein, d. h. bei dem Erfindungsgegenstand ist die Windungszahl der Gleichstromwicklung nur 50 Prozent derjenigen der alten Anordnung und folglich die Transformatorspannung pro Lamelle entsprechend kleiner. Fig. 5 zeigt die vom Drehfeld pro Lamelle induzierte Spannung e in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit. Die Gerade I gilt für die neue Anordnung, die Gerade II für die alte Anordnung. Wie ersichtlich, ist bei der neuen Anordnung e konstant für alle Geschwindigkeiten, bei der anderen Anordnung hat e seinen Höchstwert bei Stillstand und wird Null bei Synchronismus. Bei den äußersten Regulierungsgrenzen ist e für beide Motoren gleich groß. Zwei kritische Zustände in bezug auf Kommutierung sind erstens Stillstand (Anlauf) und zweitens die maximale Geschwindigkeit, weil dort die Wendespannung (Reaktanzspannung) am größten wird. Ist die Kommutierung für diese beiden Grenzfälle gut, dann ist sie ohne Zweifel gut für alle zwischenliegenden Geschwindigkeiten. Bei Anlauf ist, wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, die Spannung e für die neue Anordnung nur halb so groß, d. h. der Anlauf ist bei der neuen Anordnung viel günstiger. Bei der maximalen Geschwindigkeit ist die Spannung e für beide Motoren gleich groß. Außer der Transformatorspannung ist aber in den kurzgeschlossenen Spulen noch die Wendespannung vorhanden, und diese wird bei der neuen Anordnung viel kleiner, erstens weil die Windungszahl pro Lamelle nur halb so groß ist, und zweitens, weil die Regulierwicklung oben in den Nuten verlegt werden kann, wie in Fig. 6 angedeutet ist. Außerdem wird der obere Teil der Nuten zweckmäßig breiter als die Nuten im übrigen gemacht, so daß die Reaktanz der Regulierwicklung sehr klein gehalten werden kann. Aus diesen Gründen kann die Wendespannung bei der neuen Anordnung ganz außer Betracht gelassen werden, und auch bei der höchsten Geschwindigkeit läßt sich eine günstigere

■ Kommutierung bei der neuen Anordnung erreichen.

Die Primärhauptwicklung des Motors kann auch einphasig ausgeführt werden, so daß der Motor mit Einphasenstrom gespeist wird, während der Sekundärstromkreis mehrphasig ausgeführt wird. In solchem Fall muß eine besondere Anlaßphase im Läufer vorgesehen werden. Der Motor wird dann wie ein gewohnlicher Einphaseninduktionsmotor angelassen.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines Einphasenmotors gemäß der Erfindung dargestellt. A bezeichnet die Arbeitsphase des Läufers und H dessen Anlaßphase, r ist ein Ohmscher und % ein induktiver Widerstand. Die Widerstände sind in Reihe zwischen den Speiseleitungen 1, 2 eingeschaltet und dienen in bekannter Weise zur Herstellung eines gegen den Hauptstrom pbasenverschobenen Stromes zur Speisung der Anlaßphase H des Läufers. Die Regulierwicklung R und die Ständerwick-^ lungen S₁, S₂, S₃ sind wie bei dem Dreiphasenmotor nach Fig. 1 ausgeführt.

Während des Anlassens können die drei Ständerphasen unmittelbar über den Bürsten kurzgeschlossen sein; man kann auch jede Ständerphase über einem Ohmschen Widerstand kurzschließen, um das Auslaßdrehmoment wie bei gewöhnlichen Einphasenmotoren zu verbessern. Nach dem Anlassen wird die Anlaßphase mit Hilfe des Schalters s ausgeschaltet. Regelt man einen einphasigen Motor nach Fig. 3 durch Drehung der beiden Bürstenbrücken wie bei dem Dreiphasenmotor nach Fig. 1, so bleibt das Feld als rotierendes Feld konstanter Größe bestehen, und die Geschwindigkeitsregelung geschieht nach demselben Gesetz wie bei dem Dreiphasenmotor.

Man kann auch die Primärwicklung und die Regulierwicklung im Ständer und die Sekundärwicklung im Läufer anbringen; in diesem Fall müssen jedoch die Bürsten rotieren, so daß die Einrichtung weniger einfach wird.

Claims

Patent-Anspruch:

Ein- oder Mehrphasenkommutatormotor, bei welchem dem Läufer die Energie durch Schleifringe zugeführt wird und die Standerwicklung mittels Bürsten mit dem Kommutator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung elektrisch getrennte Phasen wicklungen besitzt, deren jede für sich mittels zweier Bürsten, die gleichzeitig ineinander entgegengesetzt verschoben werden, über einem veränderlichen Teil der als Regulierwicklung dienenden Läuferwicklung mit Kommutator kurzgeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.