DE28485C - Kommutatoranordnung bei dynamoelektrischen Maschinen zur Verringerung des Widerstandes der Maschine - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21: Elektrische Apparate.

BAIN ELECTRIC COMPANY in CHICAGO

(Cook County, Illinois, V. S. A.).

der Maschine.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 30. October 1883 ab.

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen am Commutator von dynamoelektrischen Maschinen, durch welche bessere und günstigere Ableitung der erzeugten Ströme erzielt wird. Es ist bekannt, dafs im Pacinotti'schen Ring, dessen einzelne Spulen einen geschlossenen Kreis bilden, an den neutralen Punkten eine bedeutend schwächere Induction entsteht, wie in der Nähe der Pole, und dafs der an letzterer Stelle erzeugte Strom durch solche Theile des Ringes fliefsen mufs, welche einen viel schwächeren Strom liefern; demnach werden die stärkeren Ströme die an den schwächer inducirten Stellen erzeugten schwächeren Ströme ergänzen, während der Widerstand an allen Stellen derselbe bleibt. Auf diese Weise verrichten die inducirten Ströme in dem Ring selbst innere Arbeit, wodurch die Nutz-. leistung der Maschine verringert wird. Ferner ist bei dieser Anordnung der innere Widerstand des Ankers gröfser, als nothwendig und wünschenswerth ist. In den Fig. 1 bis 4 ist eine .Modification des Verfahrens veranschaulicht, durch welches diese Uebelstände beseitigt werden. Das Wesentlichste dieser Methode besteht darin, dafs in der Maschine mittelst des zusammengesetzten Commutators zwei Stromkreise erzeugt werden, deren Bedeutung und Wirkungsweise aus dem Folgenden klar werden wird.

Fig. ι zeigt schematisch die Verbindung der Ankerspulen mit den einzelnen Theilen des Commutators, Fig. 2 die Anordnung der von den Ankerspulen sich abzweigenden Drähte; Fig. 3 ist eine Abwickelung des Commutatormantels; Fig. 4 zeigt die Anordnung des Commutators in Bezug auf den Anker im Grundrifs. Die allgemeine Anordnung der Maschine kann beliebig sein. In Fig. 1 bezeichnen F-\- und F— die beiden Elektromagneten von irgend welcher Construction; der Ankerring ist hier mit sechs Spulen versehen gedacht und die einzelnen Ringe ABC des Commutators sind der Deutlichkeit halber neben einander gezeichnet. Je zwei einander gegenüberliegende Spulen sind im Anker selbst mit einander verbunden und bilden eine Spulengruppe, so dafs demnach im vorliegenden Falle, wie Fig. 1 zeigt, drei Spulengruppen i-f- und 1—, 2-J- und 2—, 3+ und 3— vorhanden sind. Der Commutatorring A setzt sich entsprechend der Anzahl der sechs Ankerspulen aus zwölf Segmenten zusammen, welche mit 1, i¹, 2, 2^3 und 3¹ bezeichnet sind. Die diametral gegenüberliegenden Ankerspulen sind mit je einem Ende an diametral gegenüberliegende Commutatorschienen angeschlossen. So sind z. B. die Spulen i-f- und ι — in Fig. 1 mit den Schienen 1 und letztere im Commutator durch Drähte ί und ^¹ mit den Schienen 1' verbunden. In gleicher Weise sind die beiden übrigen Spulengruppen 2 + und 2—, 3+ und 3— mit den Schienen 2, 2' und 3, 3¹ verbunden, jedoch sind diese Verbindungen der Deutlichkeit halber in Fig. 1 fortgelassen. Die beiden anderen Ringe B und C des Commutators sind auf dem isolirenden Cylinder α befestigt und bestehen aus je drei

gleich grofsen, von einander isolirten Segmenten aus leitendem Material, welche mit den Enden der Ankerspulen derart verbunden sind, dafs die beiden von jeder Spulengruppe kommenden Drähte an Segmente angeschlossen sind, welche nicht in demselben Ring liegen. Ist jedoch die Anzahl der Spulengruppen paarig, d. h. sind z. B. acht Spulen vorhanden, so kann man sämmtliche Segmente in einem Ring derart vereinigen, dafs die je zwei Spulen einer Gruppe zugehörigen Segmente einander gegenüberliegen. Hierbei sind aber, wie dies später erklärlich werden wird, die Segmente mit seitlichen Lappen derart zu versehen, dafs stets nur zwei einander gegenüberliegende Segmente von den Bürsten nicht berührt werden. Immerhin ist die Anwendung zweier Commutatorringe auch in diesem Falle vorzuziehen.

Wie aus Fig. ι ersichtlich, sind die Enden der Spulen 2 + und 2 — bezw. mit den Segmenten 2 4- des Ringes C und 2 — des Ringes B, und die Enden der Spulen 3+ und 3— bezw. mit den Segmenten 3 -f- des Ringes B und 3— des Ringes C verbunden.

Die Verbindung der Spulen mit den einzelnen Theilen des Commutators geht noch klarer aus Fig. 4 hervor; hier sind jedoch der Deutlichkeit halber nur die Spulengruppen 1 + ünd ι— dargestellt. Wie aus dieser Figur ersichtlich, gehen von den Enden der Spulen 1 + und ι — Drähte nach den Schienen 1 des Ringes A, und von diesen Schienen gehen wieder Drähte nach Segment 1 — des Ringes B und Segment i-|- des Ringes C. Die Commutatorringe ABC und ihre zugehörigen Bürsten nehmen nun eine solche relative Lage gegen einander ein, dafs durch den Commutatorring iA der Leitungskreis einer Spulengruppe geschlossen wird, sobald die Bürsten der Commutatorringe B C die den Drahtenden derselben entsprechenden Segmente verlassen, und umgekehrt. Auf diese Weise wird die Bildung von Funken vermieden und es treten in der Maschine zwei Stromkreise auf, deren Verlauf sich leicht verfolgen läfst. Wenn Anker und Commutator in die in Fig. 1 dargestellte Lage gelangen, so

wird zunächst, von der Klemme ausgehend,

ein Strom durch die -{--Bürste des Commutatorringes C, Segment 2 -\- desselben, Draht 2, Spule 2 4- des Ankers, Spule 2—, Draht 2, Segment 2 — des Commutatorringes B, die Bürste desselben, Draht o, +-Bürste und Segment 34- des Commutatorringes B, Draht 3, Spule 3 4") Spule 3—, Draht 3, Segment 3—

und Bürste des Commutatorringes C nach

der 4" -Klemme und durch die äufsere Leitung zur Klemme der Maschine fliefsen. Demnach sind die Spulen 1 4- und 1 — und ihre entsprechenden Segmente 14" ^und 1 — der Commutatorringe B und C nicht in den beschriebenen Leitungskreis, der im folgenden als »grofser Kreis« benannt werden soll, eingeschaltet. Sie befinden sich vielmehr während ihres Durchganges durch die Indifferenz- oder neutralen Punkte des magnetischen Feldes in einem zweiten Leitungskreise, welcher als »kleiner Kreis« bezeichnet werden soll, und zwar gelangt der Strom, von Spule 1 — ausgehend, vor deren Eintritt in die neutralen Punkte durch Draht 1 nach der in Fig. 1 oben gelegenen Schiene 1 des Commutators A, dessen Bürste, durch die Windungen der Elektromagneten F-\- F—, + -Bürste, untere Schiene 1

des Commutators A, Draht 1 zur Spule i4"

und von da zur Spule 1 —. In dem Augenblick, wo die Spulen i4~ und 1— die neutralen Punkte des magnetischen Feldes passiren, mufs der von den Spulen kommende Strom im kleinen Kreise commutirt werden, zu welchem Zweck die Bürsten des Commutators A auf die Schiene 1' desselben gelangen, so dafs nunmehr, von Spule ι— ausgehend, der Strom folgenden Weg nimmt: von Spule 1— durch Draht 1 zur oben gelegenen Schiene 1, Draht s, unteren Schiene i\

4- -Bürste, Elektromagnetwindungen, Bürste,

obere Schiene i¹, Draht s¹, untere Schiene 1, Draht 1, Spule 14" zur Spule 1— zurück.

Was für die Spulen i4" und 1— beschrieben, gilt auch für die übrigen Spulengruppen bei deren Durchgang durch die neutralen Punkte, und es folgt somit, dafs in dem kleinen Kreise beständig ein continuirlicher Strom fliefsen wird.

Aus der geschilderten und insbesondere aus Fig. 3 ersichtlichen Anordnung der Commutatorringe ergiebt sich nun, dafs bei weiterer Drehung der Ankerwelle die beiden Segmente 2 4" und 2 — der Commutatorringe B und C bald ihre Bürsten verlassen, in demselben Augenblick aber auch am Ring A dessen Bürsten auf die Schienen 2 gelangen, so dafs nunmehr die Spulen 2 + und 2— aus dem grofsen Kreis aus- und in den kleinen Kreis eingeschaltet sind, während andererseits die Spulen i4" ^und *— ^aus dem kleinen Kreis aus- und in den grofsen Kreis eingeschaltet werden, indem die Segmente i4" und ι— der Ringe B und C unter die Bürsten derselben gelangen, sobald die Bürsten des Ringes A die Schienen 1' desselben verlassen. Es findet somit nur in dem kleinen Kreise, dessen Strom hier für die Erregung der Elektromagneten verwendet wird, eine Commutation statt, während der Strom im grofsen Kreise einer Commutirung nicht bedarf. Sollen indefs in den kleineren Kreisen Wechselströme erzeugt werden, so erhält der Commutatorring A genau so viel [Segmente oder Schienen, als Spulen vorhanden sind, während die Drähte s j¹ fortfallen, und es tritt ein Stromwechsel auf, wenn die Bürsten sich auf der Mitte der Segmente befinden.

Aus dem vorhin Angeführten ergiebt sich demnach, dafs, wie durch Fig. 2 schematisch

veranschaulicht, stets zwei Spulengruppen in dem grofsen Kreise und eine Spulengruppe in dem kleinen Kreise liegen;, jedoch kann man auch durch geeignete Anordnung der Commutatorsegmente die Periode, während welcher die Spulen im kleinen Kreise eingeschaltet sind, vergröfsern, so dafs die Theilung des Stromes in der Maschine nicht so ungleichmäfsig erfolgt. Aus der beschriebenen Anordnung des Commutators A folgt ferner, dafs sämmtliche Spulen sich stets in geschlossenen Leitungskreisen befinden. Bei der beschriebenen Verbindung der zu den Commutatorringen B und C gehörigen Bürsten sind die Spulen im grofsen Kreise hinter einander geschaltet; sie können jedoch auch neben einander geschaltet werden; man hat zu diesem Zweck nur den Draht o, Fig. i, zu beseitigen und, wie in punktirten Linien angedeutet, die +-Bürsten ^₆₁. R_mg_e β _uncj q

und die Bürsten mit einander zu verbinden.

Eine zweite Methode zur Beseitigung der angedeuteten Uebelstände ist in den Fig. 5 bis 12 veranschaulicht. Diese Methode beruht darauf, dafs mittelst des Commutators die Ankerspulen so geschaltet werden, dafs je nach der Lage derselben in Bezug auf die magnetischen Felder die das Maximum derselben passirenden Spulen mit den übrigen, unter sich parallel geschalteten, hinter einander geschaltet werden, während bei symmetrischer Lage der Spulen zum Maximum des magnetischen Feldes die inducirten Spulen hinter einander und die gerade durch die neutralen Punkte gehenden Spulen ausgeschaltet werden.

Diese Schaltung ergiebt sich klarer aus der schematischen Darstellung.

In den Fig. 5, 6 und 7 bezeichnet M den Ringanker mit sechs Spulen; bei b befinden sich die neutralen Punkte, bei c Maxima der magnetischen Felder. In den drei Fig. 5, 6 und 7 ist der Durchgang der Spulen 1 durch die neutralen Punkte dargestellt. Die Construction des Commutators ist bis auf geringe Abänderung identisch mit der vorhin beschriebenen; beim Commutatorring A sind indefs nur die Schienen i, 2, 3 mit den Spulen verbunden, während die zwischenliegenden Schienen isolirt ' und die Verbindungsdrähte im Commutatorring fortgefallen sind. Die beiden anderen Ringe erhalten Doppelbürsten. In Fig. 5 befinden sich die Spulen 2 im Maximum des magnetischen Feldes und die beiden übrigen Spulengruppen 1 und 3 sind, wie Fig. 8 zeigt, parallel geschaltet, so dafs sich die in ihnen erzeugten Ströme summiren und der Leitungswiderstand, welchen der Gesammtstrom findet, verringert wird. Der Stromlauf gestaltet sich wie folgt: Von der

Klemme ausgehend über die Bürste des

Commutatorringes C, Segment 2 — desselben zur Spule 2—, Spule 2 + , Segment 2-(- des Commutatorringes B, -J--Bürste, Bürste und

Segmente 1— und 3— desselben, Spulen 1 — und 3—, Spulen i-f· und 3+, Segmente i-f- und 3-f- des Commutatorringes C, +-Bürsten desselben zur +-Klemme. Demnach sind die beiden am stärksten inducirten Spulen 2 unter sich hinter einander und die übrigen Spulen 1 und 3 zu je zweien hinter einander geschaltet, wie dies auch klar aus Fig. 8 hervorgeht. Am Commutatorring A ruhen die Bürsten auf isolirten Schienen, da alle sechs Spulen die in ihnen erzeugten Ströme an die Ringe B und C abgeben. Wäre die Stromstärkendifferenz der Spulen 1 und 3 bedeutend, so würde infolge der Parallelschaltung dieser Spulen eine Schwächung des in der stärker erregten Spule erzeugten Stromes eintreten; da jedoch die Spulen ziemlich gleich stark erregt werden, so wird dies nicht der Fall sein.

In Fig. 6 sind die Spulen 1 in die neutralen Punkte gelangt, während die Spulen 2 und 3 sämmtlich in Punkten gleichen Potentials sich befinden. In dieser Stellung geben die vier nunmehr hinter einander geschalteten Spulen 2 und 3 gleichviel Strom, wie vorhin sämmtliche sechs Spulen, so dafs die Maschine einen gleichmäfsigen Strom liefert. Die in den Spulen 1 erzeugten Ströme gleichen sich in dieser Lage durch den Commutatorring A aus. Der Fig. 6 entspricht die Fig. 9, welche die Schaltung der Spulen klar veranschaulicht.

In Fig. 7 bezw. 10 haben' die Spulen 1 die neutralen Punkte passirt und sind an Punkten angelangt, deren Potential gleich demjenigen der von den Spulen 2 eingenommenen Punkte ist. Demgemäfs tritt wieder die mit Bezug auf Fig. 5 beschriebene Parallelschaltung dieser beiden Spulengruppen ein, und sämmtliche sechs Spulen sind in die Leitung nach Fig. 10, wie vorhin angegeben, eingeschaltet.

Die beschriebenen Ein- und Ausschaltungen der einzelnen Spulen folgen nun continuirlich auf einander, und es erhellt, dafs die Spulen, welche schwächere, unter sich gleiche Ströme erzeugen und parallel geschaltet sind, dem von den anderen Spulen erzeugten stärkeren Strom entsprechend geringen Widerstand darbieten, während andererseits die gänzliche Ausschaltung der Spulen nur dann eintritt, wenn dieselben die neutralen Punkte passiren.

Anstatt der an den Ringen B und C angeordneten Doppelbürsten kann man auch einfache Bürsten anwenden und die Enden der Segmente in der aus den Fig. 11 und 12 ersichtlichen Weise so gestalten, dafs eine schräge oder getreppte Fuge zwischen je zwei Segmenten entsteht. Eine weitere Modification dieser Einrichtung ist in Fig. 13 veranschaulicht. Der hier dargestellte Commutator ist im wesentlichen dem in Fig- S, 6 und 7 dargestellten gleich, mit dem einzigen Unterschiede, dafs in die beide Bürsten des Commutatorringes A ver-

bindende Leitung in ein Widerstand η eingeschaltet ist, der auf irgend eine bekannte Weise veränderlich gemacht werden kann und im Vergleich zum Widerstand am äufseren Stromkreise sehr grofs ist. Wie aus der Figur weiter ersichtlich, sind diejenigen Spulen, welche verwerthbare Ströme liefern, theilweise hinter einander, theilweise parallel oder auch in irgend einer anderen bekannten Weise geschaltet, da die Function dieser Einrichtung nicht wesentlich davon abhängig ist, wie die stromgebenden Spulen geschaltet sind. Während die Spulen die neutralen Punkte des Feldes passiren, sind sie über den Commutatorring A hinweg durch eine Leitung m von hohem Widerstände mit einander verbunden. Bei der in Fig. 6 dargestellten Verbindung der die neutralen Punkte passirenden Spulen wird der Strom in der von den Spulen ausgehenden Drahtleitung nach

E
Gleichung _/= —— ganz erheblich stark werden,

da W fast Null ist. Hierdurch wird aber eine bedeutende Menge Arbeit verloren gehen, welche eben nutzlos in elektrische Energie umgewandelt wird. Schaltet man hingegen, wie in Fig. 13 dargestellt, in die Leitung m einen bedeutenden Widerstand ein, so wird die Stromstärke J demgemäfs erheblich kleiner, und es werden somit diejenigen Spulen, welche nicht nutzbaren Strom liefern, der Drehung des Ankers auch weniger Widerstand entgegensetzen. Gleichzeitig wird aber auch die Bildung von Funken verhütet und der Nutzstrom wird constanter und gleichmäfsiger ausfallen, als bei den Maschinen mit gewöhnlichem Ringanker nach Pacinotti.

Diese Methoden der Ableitung des Stromes mittelst der beschriebenen Commutatoren lassen sich auch auf andere Maschinensysteme anwenden.

Claims (9)

Patent-AnSprüche:

1. Bei elektrischen Maschinen die Anwendung zweier Leitungskreise, von denen der eine die stärker erregten, durch die Maxima des magnetischen Feldes gehenden, der andere die schwächer erregten, durch die neutralen Punkte gehenden Spulen des Ankers enthält, zum Zweck, die inneren Widerstände in der Maschine zu vermindern.

2. Die Combination der Ankerspulen einer elektrischen Maschine mit zwei Commutatorringen, von denen der eine dazu dient, die beim Durchgang der Spulen durch die neutralen Punkte erzeugten Ströme zu sammeln und eventuell zu comtnutiren, während der andere die Ströme sammelt, welche beim Durchgang der Spulen durch die Maxima der magnetischen Felder entstehen, sowie ferner die mit Bezug auf Fig. 1 beschriebene Verbindung der Drahtenden der Spulen mit den Segmenten oder Schienen beider bezw. der drei Commutatorringe.

3. Ein zusammengesetzter Commutator, dessen einer Ring doppelt so viel Schienen, als Spulen vorhanden sind, besitzt, während der zweite eventuell aus zwei neben einander liegenden Ringen bestehende Theil des Commutators genau so viel Segmente als Spulen enthält, die in der mit Bezug auf Fig. 2 und 4 beschriebenen Weise angeordnet und elektrisch mit den Spulen verbunden sind.

4. Das Verfahren, in einer dynamo- oder magnetelektrischen Maschine die Spulen, welche sich durch Punkte gleichen Potentials bewegen, parallel und die anderen Spulen hinter einander zu schalten.

5. Das Verfahren, in einer dynamo- oder magnetelektrischen Maschine die durch Punkte gleichen Potentials sich bewegenden und unter sich parallel geschalteten Spulen hinter die durch das Maximum gehenden Spulen zu schalten.

6. Das Verfahren, in einer dynamo- oder magnetelektrischen Maschine die durch die neutralen Punkte gehenden Spulen aus dem Hauptstromkreis auszuschalten und durch einen Commutator mittelst einer Leitung von geringem Widerstände kurz zu schliefsen.

7. Der zur Ausübung der genannten Verfahren geeignete zusammengesetzte Commutator, bestehend aus mehreren Ringen, von denen der eine doppelt so viel Schienen enthält, wie Spulen vorhanden sind, während der andere eventuell aus zwei Theilen bestehende Ring gleich viel Segmente enthält wie Spulen und mit Doppelbürsten versehen ist oder versetzte Segmentenden besitzt, Fig. 11 und 12.

8. Das Verfahren, durch Einschaltung eines hohen Widerstandes die Bildung von stärkeren Strömen in den die neutralen Punkte passirenden Spulen zu verhindern.

9. Die Verbindung des Commutatorringes A, Fig. 13, mit einem Widerstände n, der in die Leitung m eingeschaltet ist, zum Zweck, die Bildung von stärkeren Strömen in den die neutralen Punkte passirenden Spulen za verhindern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.