DE266950C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 266950 KLASSE 21 d. GRUPPE

Maschine für hochgespannten Gleichstrom. Patentiert im Deutschen Reiche vom !.Oktober 1912 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf Gleichstrommaschinen, die geeignet sind, hochgespannten Strom von über 25 000 V. zu erzeugen oder zu verwenden. Zu dem Ende sind die einzelnen Elemente in solcher Weise angeordnet, daß das Überspringen von Funken und das Ziehen von Lichtbogen am Kollektor, eine der Hauptschwierigkeiten in der Erzeugung oder Verwendung¹ hochgespannten Gleichstromes, fast vollständig umgangen wird, und daß die Schwierigkeiten in der Isolierung der Ankerwickelungen verringert werden.

Dieses Ergebnis wird durch eine Maschine mit feststehendem Anker und offenen Stromspulen erzielt, welche mittels Bürsten durch den Kommutator so verbunden sind, daß diese Einheiten von Stromspulen beständig im Stromkreis und beständig in Reihe geschaltet bleiben, während bei den bekannten Gleichstrommaschinen mit offenen Windungen letztere ihre einzelnen Windungen nur dann im Stromkreis haben, wenn sie nahezu ihre Maximal-E. M. K. führen.

Die Anordnung der Stromspulen kann nach Art eines einzigen Reihenstromkreises oder einer Anzahl solcher Stromkreise vorhanden sein, wobei in dem letzteren Falle die Stromkreise entweder in Reihe oder parallel zueinander, oder in einer Kombination beider Schaltungen verwendet werden können, wobei jedoch in jedem Falle die Stromwindungen derartig sind, daß ihre Spuleneinheiten beständig in Reihenschaltung bleiben und beständig stromdurchflossen sind, wenn sich die Spuleneinheiten im Gebrauch befinden. Dies ist der Hauptzweck der Erfindung.'

Ein weiterer Zweck besteht darin, einen Mechanismus vorzusehen, in welchem die genannten Spuleneinheiten entweder als Ganzes oder als eine Gruppe zusammen andauernd in Reihe geschaltet sind, in welchem jedoch irgendeine oder alle Spulen aus einer Anzahl von Leitern zusammengesetzt sind, die in Reihen, parallel oder gemischt miteinander verbunden sein können, um Änderungen in der Spannung, welche von der gemeinsamen Reihenschaltung · der Spuleneinheiten herrühren, zuzulassen.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden drehende Feldmagnete verwendet, welche in bekannter Weise mit Erregerspulen auf jedem Pol ausgestattet sind. Den Spulen kann Strom durch Sammelringe zugeführt werden. Das Feld kann jedoch auch nach Art der bekannten Induktormaschinen. eine einzige Erregerspule für alle Pole aufweisen. In beiden Anordnungen kann der Erregerstrom entweder einem Netz oder dem Anker der Maschine entnommen werden.

Die Zeichnungen stellen .Schaltanordnungen und Ausführungsbeispiele dar.

Fig. ι ist die Abwickelung der Kollektoroberfläche mit der schematischen Darstellung der Feldpole, der Ankerwickelung und der Bürsten;

Fig. 2 ist teilweise Seitenansicht und teilweise Schnitt durch einen Kollektor; Fig. 3 ist eine Endansicht des Kollektors;

Fig. 4 bis 9 zeigen, wie der Strom in den einzelnen Spuleneinheiten bei Aufrechterhaltung der Reihenschaltung gewendet wird.

Fig. io zeigt in Seitenansicht und teilweise im Schnitt eine Maschine nach der Erfindung; Fig. Ii ist ein Schnitt nach ii-n der Fig. io;

Fig. 12, 13 und 14 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen der Spuleneinheiten;

Fig. 15 ist eine Endansicht einer Maschine mit zwei Kommutatoren.

Die Erfindung werde in ihrer Wirkung als Gleichstromerzeuger erläutert, natürlich kann sie auch als Motor arbeiten.

Vorzugsweise wird ein drehendes Feld von beliebiger Polzahl und ein feststehender Anker benutzt; letzterer ist mit einer Anzahl offener Spuleneinheiten versehen. Jede Einheit hat an ihren Enden Stromabnehmerbürsten, welche mit dem Kommutator zusammen wirken. In den Zeichnungen sind diese Spuleneinheiten mit a, b, c, d usw. bezeichnet. Diese Einheiten sind unabhängig voneinander; die Bürsten der Spuleneinheiten sind mit 1, 2, 3, 4 usw. bezeichnet. Da die Beschreibung auf sechszehn Spuleneinheiten Bezug nimmt, so laufen die Bezeichnungen der Spuleneinheiten von α bis p und die Bürstenbezeichnungen von 1 bis 32.

Jede Klemme jeder Spuleneinheit ist mit einer besonderen Bürste verbunden, und zwar sind zwei Bürsten pro Spuleneinheit vorhanden. Die Bürsten stecken in isolierenden Haltern und sind in einer Reihe oder in Reihen parallel zur Achse des Kommutators angeordnet. . Die zwei Bürsten für jede Spuleneinheit liegen nebeneinander in derselben Reihe; so bedeuten 1 und 2 die Bürsten für die Spuleneinheit a; die beiden Bürsten für die nächste Spuleneinheit sind in der gleichen Reihe und neben den ersterwähnten beiden Bürsten. Diese Anordnung wird für ebenso viele Spuleneinheiten und Bürsten befolgt, als in einer Reihe betrieben werden sollen, der Rest kann in einer besonderen Reihe oder Reihen angeordnet sein. In Fig. 1 der Zeichnungen sind sechzehn Ankerspuleneinheiten gezeigt, welche in Gruppen von je vier unterteilt sind, und die Bürsten für die Spuleneinheiten jeder Gruppe sind, wie im folgenden beschrieben, in Form einer besonderen Reihe angeordnet. Der Grund für Anordnung einer oder mehrerer Reihen von Bürsten wird später angegeben werden. In Fig. 10 und 11 sind zwei Gruppen, jede von acht Spuleneinheiten, in Verbindung mit zwei Bürstenreihen gezeigt. An jedem Ende jeder Gruppe sind besondere Bürsten angeordnet (33, 34; 35, 36; 37. 38 usw.), welche die Endpunkte der einzelnen Gruppenstromkreise bilden. So bedeuten 33 und 34 die Klemmenbürsten für die Gruppen der Einheiten a, b, c und d; 35 und 36 sind die Klemmenbürsten für die Gruppen der Einheiten e, f, g und h usw.

Fig. ι zeigt schematisch in Abwickelung ein zweipoliges Feld und einen Anker, der sechzehn Spuleneinheiten in einer Anordnung von vier Gruppen mit je vier Einheiten darstellt. Die Bürsten einer Gruppe stehen mit einer Reihe von Segmenten in Berührung, und die besonderen Einstellungen auf den Reihen der Segmente geben die Stellungen der Spuleneinheiten der einzelnen Gruppen mit Bezug auf die Pole an, wobei bei einer Bewegung des Kommutators dessen Stege notwendigerweise nacheinander quer unter den Bürsten vorbeigehen. Diese Figur stellt die verschiedenen Verbindungen der Segmente einer Reihe dar, vermittels deren die Bürsten in Reihenschaltung verbleiben, obwohl sich die Richtung der E. M. K. in den Ankerspulen während der Drehung des Feldes ändert. Der Eintritt und Austritt des Stromes in dem Stromkreis, welcher die Einheiten einer Gruppe umfaßt, bleibt immer in der angedeuteten gleichförmigen Richtung. Die Darstellung in dieser Figur ist derartig, daß der Verlauf der E. M. K. in den einzelnen Spuleneinheiten, welche durch die Verbindungen U aneinander angeschlossen sind, leicht für irgendeine Stellung des Feldes M und des Kommutators 41, die sich in Synchronismus bewegen, verfolgt werden kann.

Der Kommutator besteht aus einem Zylinder 41 aus einem mechanisch widerstandsfähigen dielektrischen Material, wie Preßspan o. dgl. 5-5 deuten die metallischen Kontaktstücke oder Segmente an, welche auf dem Zylinder 41 miteis Schrauben oder Bolzen oder in anderer passender Weise befestigt sind. U- U sind die Verbindungsdrähte, die von einem Segment nach dem anderen führen, wie unten beschrieben.

In jeder der Fig. 4 bis 9 stellen a, b, c und d schematisch die Spuleneinheiten des Ankers dar. i, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 sind die in einer Reihe parallel zur Achse des Kommutators angeordneten Bürsten für diese Einheiten. 33 und 34 sind die Endbürsten der Gruppe. Γ¹, Γ² bezeichnen die Klemmendrähte, welche zu den Bürsten 33 und 34 führen.

Fig. 5 veranschaulicht die Bahn des Stromes, wenn eine Gruppe von Einheiten unter dem in Fig. ι links gezeigten Pole · angelangt ist. Diese Stellung entspricht der Stellung der Bürsten 25 bis 32 in Fig. 1, und diese Bahn wird aufrechterhalten, solange alle Einheiten dieser Gruppe sich unter dem Pole befinden. Wie in Fig. ι angedeutet, kann irgendeine Anzahl von Reihen von Segmenten ähnlich verbunden sein. In Fig. 5 tritt der Strom bei T² ein, geht durch jede Spule in einer der Richtung der E. M. K. entsprechenden Richtung hindurch und fließt bei T¹ aus der Gruppe. '

Da in Maschinen mit geschlossenen Gleich-

stromspulen die Umkehr der Polarität einer Spuleneinheit zeitweise den Kurzschluß der Spuleneinheit herbeiführt, so werden im vorliegenden Falle, wenn notwendig, Widerstände in den Verbindungsstücken U benutzt, wie z. B. bei r¹ und r² in Fig. 4 angedeutet ist. Diese Widerstände können klein sein, insbesondere wenn Wendepole vorhanden sind. Die Strombahn während dieser Kurzschlußperiode ist in Fig. 4 in Verbindung mit der Spuleneinheit d angedeutet, und diese Stellung ist in Fig. ι in Verbindung mit der Stellung der mit 1 bis 8 bezeichneten Bürsten wiedergegeben. Es ist selbstverständlich, daß die in Fig. 4 gezeigte Stellung der in Fig. 5 gezeigten Stellung folgt und der in Fig. 6 gezeigten Stellung vorhergeht. Fig. 6 zeigt die Spuleneinheit d in umgekehrter Polarität, da die Verbindungsstücke U in diesem Augenblick den Strom von der Bürste 34

ao zur Bürste 7 anstatt zur Bürste 8, wie in Fig. 5 gezeigt ist, überleiten. Die Bürste 8 ist jetzt in Reihe geschaltet mit der Bürste 6, statt daß Bürste 7 mit Bürste 6 verbunden ist, wie Fig. 5 angibt. Die übrigen Spuleneinheiten behalten ihre früheren Schaltungen. Die Reihenschaltung ist demnach in der Spuleneinheit d noch aufrechterhalten, obwohl sie in ein Feld entgegengesetzter magnetischer Polarität übergetreten ist.

Wenn die nächste Einheit in ihrer Polarität umgekehrt wird, ändern die Verbindungsstücke der Segmente den Verlauf des Stromes, wie Fig. 7 darstellt, so daß nunmehr auch die Einheit c umgeschaltet ist. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß die Kurzschließung zwischen den Stellungen der Fig. 6 und 7 stattfindet, wobei die Widerstände r¹ und r² in Verbindung mit den Bürsten 5 und 6 zur Tätigkeit gelangen, wie in der Segmentreihe angezeigt, welche auf die Reihe folgt, die in Fig. 1 die Bürsten 1 bis 8 trägt. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Bahn von der Bürste 8 zur Bürste 5 der Spuleneinheit c durch Bürste 6 und Bürste 4 verläuft und auf diese Weise die Reihenschaltung aller Spuleneinheiten aufrechterhält.

Dann kehrt die Spuleneinheit b ihre Polarität um und durch den Kommutator werden die Verbindungen, wie Fig. 8 zeigt, hergestellt. Darin ist die Bürste 6 anstatt mit der Bürste 4 mit der Bürste 3 der Spuleneinheit b verbunden, während Bürste 4 ihrerseits mit der Bürste 2 verbunden ist, so daß die Spuleneinheiten b, c und d im Stromkreis verbleiben und die Reihenschaltung dieser Spuleneinheiten mit der Einheit α aufrechterhalten wird, obwohl die Stromrichtung in der Einheit α umgekehrt zu der in den übrigen Einheiten ist. Beim Übergang in diese Stellung tritt die Kurzschließung in Verbindung mit den Bürsten 3 und 4 ein.

. Dann wird die Polarität der Spuleneinheit a umgekehrt, wobei dje Verbindungen U derart angeordnet sind, daß Bürste 4 der Spuleneinheit b mit der Bürste 1 der Einheit α und Bürste 2 mit der Abnahmebürste 33 verbunden ist. Beim Übergang in diese Stellung tritt die Wirkung der Kurzschließung auf die Bürsten 1 und 2 ein. Aus Fig. 9 ist ersichtlich, daß alle Einheiten dieser Gruppe dann ihre Polarität umgekehrt haben und dabei in den Bereich des entgegengesetzten Feldes angelangt sind. Die Reihenschaltung und die Aufrechterhaltung des Stromkreises bleiben immer vorhanden, obwohl die Richtung des Flusses in jeder Spuleneinheit umgekehrt zu der in Fig. 5 gezeigten ist.

Die folgenden Stromwendungen führen zu einer ähnlichen Reihenfolge von Umkehr in den Einheiten mit dem Ergebnis, daß der Strom wieder wie in Fig. 5 verläuft.

Es ist daraus ersichtlich, daß, obwohl jede Einheit der Stromumkehr infolge der Änderung der Polarität unterworfen ist, jede Einheit doch ein tätiger Teil des Stromkreises bleibt, und die ,Reihenschaltung mit den benachbarten Einheiten während des gesamten Stromwendevorganges aufrechterhalten wird, so daß die von jeder Gruppe erzeugte Spannung gleich ist der Summe der Spannungen der einzelnen Einheiten.

Es ist selbstverständlich, daß der Kommutator oder die Kommutatoren auf derselben Welle angeordnet sein können, wie die Pole des Feldes (Fig. 10), oder sie können auf einer besonderen Welle oder auf Wellen sitzen, die von Zahnrädern, Ketten oder ähnlichen Vorrichtungen angetrieben werden. In Fig. 15 ist eine Maschine 48 ähnlich der in Fig. 10 dargestellten gezeigt, bei welcher die besonderen Kommutatoren 49 zu beiden Seiten angeordnet sind und in Synchronismus mit dem Feld 50 mittels Ketten 51 angetrieben werden. In dieser Figur sind auch für jede der sechzehn Ankerspuleneinheiten zwei Klemmenleitungen 52 und 53 vorhanden. Jede dieser Leitungen ist, wie beschrieben, mit einer besonderen Bürste verbunden, obwohl nur die Endbürsten 54 der Bürstenreihen in dieser Ansicht dargestellt sind.

Es ist selbstverständlich, daß jede Gruppe von Spuleneinheiten in Verbindung mit der dazugehörigen Bürstenreihe oder mit einem Kommutator ein in sich abgeschlossenes einheitliches Ganzes bildet und Gleichstrom liefern wird, wobei je nach der Anzahl der Spuleneinheiten in der Gruppe mehr oder weniger starke Stromschwankungen auftreten werden. Es kann also jede Gruppe dazu benutzt werden, einen besonderen Stromkreis mit Strom zu versorgen, oder die Gruppen können parallel oder in Reihe miteinander geschaltet werden, um so verschiedene Werte von Stromstärken oder E. M. Ken. zu liefern, wobei jedoch die Reihenschaltung der Spuleneinheiten in jeder Gruppe nicht beeinflußt wird.

Es ist auch selbstverständlich, daß, wenn Wechselstrom geliefert werden soll, einzelne der Spuleneinheiten dauernd miteinander verbunden werden können, ohne Benutzung von Bürsten, so daß sich dann die bekannte Konstruktion eines Wechselstromerzeugers mit dre-. hendem Feld ergibt.

Die verschiedenen Spuleneinheiten können in irgendeiner passenden Weise ausgeführt werden, wie z. B. in den Fig. 12, 13 und 14 gezeigt ist. Nach diesen besteht jede der Einheiten aus einer Anzahl von Leitern, die entweder in Reihe, parallel oder gemischt geschaltet sind. Durch diese Verbindungen der Leiter können verschiedene Spannungen des Gruppenstromkreises erzielt werden, ohne daß dadurch jedoch die ständige Reihenschaltung des Gruppenstromkreises beeinflußt wird. In Fig. 12 sind die Leiter 43, 44, 45 und 46 in Reihe und in Fig. 13 parallel geschaltet. In Fig. 14 sind die Leiter 43 und 44 in Reihe und die Leiter 45 und 46 parallel geschaltet. Diese verschiedene Anordnung der, Spuleneinheiten gestattet eine Geschwindigkeitsveränderung in einem Motor ohne Benutzung von Widerständen oder ohne Veränderung der Netzspannung.

Wie oben beschrieben, können die Bürsten in mehreren parallelen Reihen auf demselben Kommutator angeordnet sein. Das Bestreben, Lichtbogen von einer Reihe nach der anderen zu ziehen, kann jedoch dazu führen, daß diese Anordnung in jenen Fällen, wo eine äußerst hohe Spannung erzielt werden soll, aufgegeben wird. In diesem Fall wird man die Bürsten in einer Reihe, die eine Mehrzahl von Gruppen umfaßt, anordnen und dadurch das Überspringen von Funken oder die Entstehung von Lichtbogen verhindern.

Es ist selbstverständlich, daß die Anordnung der Einheiten in Gruppen eine vorherbestimmbare Anzahl von Gruppen in den Stand setzt, die Maschine als Motor anzutreiben, während die übrigen Gruppen dazu dienen, Strom zu erzeugen. Die Maschine arbeitet dann als rotierender Umformer und kann zur Erhöhung oder Erniedrigung von Spannungen dienen. .

Claims (4)

Patent-Ansprüche:

1. Maschine für hochgespannten Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, daß voneinander getrennte, offene Ankerspuleneinheiten, die immer in bestimmter Anzahl zusammen eine zwei ungleichen Feldpolen zugeordnete Gruppe bilden, durch einen Kommutator, der auf jede Einheit einzuwirken vermag, abwechselnd in verschiedener Weise so verbunden werden, daß ihre induzierten E. M. Ke. sich ständig addieren und sie selbst stets im Stromkreis eingeschaltet bleiben.

2. Mehrgruppige Maschine mit den einzelnen Gruppen wie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gruppen entweder getrennte Stromkreise speisen oder in Reihen-, Parallel- oder gemischter Schaltung an einen gemeinsamen Stromkreis gelegt sind.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Spuleneinheiten mehr als einen einzigen Leiter umfaßt, die in Reihe, parallel oder gemischt untereinander verbunden sein können.

4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu jeder Gruppe gehörigen Kommutatoren entweder zu einem einzigen Kommutator vereinigt oder getrennt voneinander angeordnet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.