DE3022948A1

DE3022948A1 - Umschalter fuer dynamoelektrische gleichstrommaschinen

Info

Publication number: DE3022948A1
Application number: DE19803022948
Authority: DE
Inventors: Randall M. Murrysville Pa. Garrett; George T. Oakmont Pa. Hummert; Roy D. Pittsburgh Pa. Schultz
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1979-10-25
Filing date: 1980-06-19
Publication date: 1981-05-07
Also published as: FR2468244B1; IT8041595A0; US4283651A; GB2062975A; GB2062975B; JPS5662048A; IT1136414B; FR2468244A1

Description

Umschalter für dynamoelektrische Gleichstrommaschinen

Die Erfindung betrifft Umschalter für dynamoelektrische Gleichstrommaschinen, bei welchen Leiter des Rotors mit Kommutatorlamellen elektrisch verbunden sind, die abwechselnd mit Kollektorbürsten in Kontaktverbindung gebracht werden.

Herkömmliche Gleichstrommaschinen verwenden Kollektorkohlenbürsten, welche in der Lage sind, einen maximalen Strom von

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etwa 320 A/cm bis etwa 650 A/cm bei einem Spannungsabfall von etwa 1 Volt zu übertragen. Bei bekannten Gleichstrommaschinen sind kleine Zwischenpole und Zwischenpolwicklungen vorgesehen, die zwischen den Hauptpolen des Stators liegen, um in die Kommutation durchlaufenden Leitern Spannungen zu erzeugen, welche den Leiter strom in einer nahezu linearen Weise umkehren. Diese Technik ist unter dem Begriff lineare Kommutation bekannt. Unter diesen Bedinfs/ai gungen

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gungen wird der Strom und die Leistungsdichte über das gesamte Bürstenvolumen im wesentlichen gleichmäßig verteilt. Geringe Abweichungen von der idealen linearen Kommutation lösen ungleichförmige Ströme und Leistungsdichten aus, diejedoch von dem Bürstenmaterial leicht aufgenommen werden können. Bei neu entwickelten dynamoelektrischen Gleich strom maschinen für niedere Spannungen und hohe Ströme werden über gleitende Kontakte Ströme in der Größenordnung von

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etwa 6400 A/cm bis etwa 13 000 A/cm" übertragen, wobei der Spannungsabfall weniger als etwa 200 mV ist. Eine solche Spannungsübertragung läßt sich mit Metallgraphitbürsten durchführen, die entweder in Luft oder auch in einer Schutzatmosphäre aus feuchtem Kohlenstoffdioxid arbeiten. Während der Stromumschaltung jedoch, wenn der Rotorstrom an der Lamelle vom normalen Betriebsniveau auf Null zurückgeht, induziert die Leck- bzw. Streuinduktivitä* der Kommutatorlamelle am Rotor eine zusätzliche Spannung zwischen der Lamelle und der Bürste, welche dazu tendiert, einen konstanten Kommutator-Lamellenstrom aufrechtzuerhalten. Wenn die Kontaktfläche zwischen der Kommutatorlamelle und der Kollektorbürste kleiner wird und entsprechend der Übergangswiderstand ansteigt, erhöht sich auch die Leistungs-

2 dichte extrem von mehreren 100 auf mehrere 1000 W/cm" und darüber. Bei einer solchen Leistungsdichte an der Grenzfläche zwischen der Lamelle und der Bürste schmilzt der Metallbestandteil aus der Metall-Graphitbürste und setzt sich auf der Oberfläche der Kommutatorlamelle ab. Auf diese Weise bildet sich eine dünne Sperrschicht auf der Oberfläche der Bürste aus, welche an der nachlaufenden Kante beginnt und sich zur vorlaufenden Kante hin ausdehnt. Das Ausmaß der

Sperrschicht

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Sperrschicht ist in einer komplizierten Weise von der Oberf Iac he nf Umbildung, der Leistungsdichte und der Bürstenbewegung abhängig.

Derartige Sperrschichten sind aus mehreren Gründen unerwünscht:

1. Der Kontaktwiderstand der Bürste und damit der Spannungsabfall an der Bürste steigt an.

2. Eine wesentliche Metallverarmung an der Kommutatorlamellenoberflache führt zu einem schlechten mechanischen Kontakt und dadurch zn einem Ansteigen des Übergangswiderstandes. Es bilden sich in den isolierenden Spalten zwischen benachbarten Kommutatorlamellen Ablagerungen aus, welche zu Kurzschlüssen führen können.

3. Die Charakteristik der Umschaltung, welche von der Metallverarmung bestimmt wird, ist in starkem Umfang lastabhängig aufgrund der Empfindlichkeit auf in der Streuinduktivität der Kommutatorlamelle gespeicherten Energie. Daraus ergibt sich, daß an der nachlaufenden Kante eine Lichtbogenbildung bei einem gegebenen Laststrom auftreten kann oder auch nicht, je nachdem, wie weit eine Verarmung existiert zum Zeitpunkt des auftretenden Laststromes.

4. Aufgrund der veränderlichen Bürstencharakteristik, welche mit der Metallverarmung bzw. Sperrschichtbildung einhandgeht, lassen sich keine exakten Voraussagen bezüglich der Maschinenleistung und des Maschinenverhaltens machen.

Obwohl die Lichtbogenbildung an der nachlaufenden Kante durch Verwendung konventioneller Elektrographitbürsten wirksam begrenzt werden kann, läßt sich mit deren Hilfe keine zufriedenstellende Lösung dieses Problems finden. Die Verarmung

der Metall -

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der Metall-Graphitbürsten tritt nach wie vor auf, wenn derartige Elektrographitbürsten an der nachlaufenden Kante benutzt werden. Außerdem ergeben sich hohe Verlustleistungen innerhalb der Elektrographitbürsten, so daß deren Temperatur auf unzulässige Werte ansteigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu finden, um bei dynamoelektrischen Gleichstrommaschinen mit hohen Strömen bei niederer Spannung die erwähnten Nachteile zu überwinden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine erste Kollektorhauptbürste, eine erste Kommutatorlamelle und eine erste Kollektorhilfsbürste derart angeordnet sind, daß die erste Kollektorhilfsbürste und die erste Kommutatorlamelle vor dem Ablösen der ersten Kollektorhauptbürste in Kontaktberührung kommen, daß ein Gleichrichter in Serie zur ersten Kollektorhauptbürste und zur Kollektorhilfsbürste geschaltet ist, und daß eine Quelle für eine EMK einen Strom in der Serienschaltung erzeugt, der im wesentlichen gleich dem zwischen der ersten Kommutatorlamelle und der ersten Kollektorhauptbürste fließenden Strom ist und welcher zwangsweise den Strom auf Null bringt, wenn sich die erste Kollektorhauptbürste von der ersten Kommutatorlamelle ablöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindungsind Gegenstand von

weiteren Ansprüchen.

Durch die Maßnahmen der Erfindung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß durch Aufbau einer Gegen-EMK der Strom beim Ablösen

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lösen der Kollektorhauptbürste von der Kommutatorlamelle zwangsweise auf Null gebracht wird und damit die erwähnten Nachteile überwunden werden.

Die Vorteile

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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. i ein Ersatzschaltbild eines Gleichstromrotors mit einem Umschalter]

Fig. 2 und 3 gleichartige Ersatzschaltbilder für verschiedene Zeitintervalle bzw. Rotorpositionen;

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Umschalters.

In den Fig. 1 bis 3 ist in einem Ersatzschaltbild schematisch ein Umschalter für eine dynamoelektrische Gleichstrommaschine dargestellt, bei welcher hohe Ströme in der Größenordnung von

2 2 l

etwa 6400 A/cm bis etwa 13000 A/cm übergleitende Kommutatorkontakte mit einem geringen Spannur^abfall von weniger als 20OmV übertragen werden. Der Umschalter zur Verringerung des Kantenlichtbogens an den Bürsten, wenn sie die Kommutatorlamelle verlassen, umfaßt einen Hochstromgleichrichter l,der in Serie zu einer EMK 3 liegt, die einen Strom erzeugt, der zwangsweise durch einen raschen Abfall der EMK auf Null gebracht wird, wenn sich die Kollektorbürste von der Kommutatorlamelle trennt. Die EMK kann außerhalb der Maschine vorgesehen sein, jedoch werden bei der bevorzugten Ausführungsform Leiter I_n dem Polinterferenzfeld benutzt, um die gewünschte EMK zu erzeugen.

Das

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Das schematische Schaltbild gemäß Fig. 1 zeigt einen Teil des Rotors einer dynamoelektrischen Maschine mit Leitern 5, 7 und 9₃ welche ein von Polen des nicht dargestellten Stators ausgehendes Feld passieren. Die EMK E₃ E und E erzeugen in den Leitern 5, 7 und 9 entsprechende Ströme I , I₃ I₃ wenn sie mit einer Geschwindigkeit V verschoben werden. Die Impedanz einer Last ist mit R bezeichnet,über welche ein Laststrom

I fließt. Die Kommutatorlamellen 15, 25 sowie 17, 27 und 19, 29 sind elektrisch mit den Leitern 5, 7 und 9 verbunden.

Eine aus mehreren Elementen bestehende Kollektorhauptbürste 31 steht in Kontaktverbindung mit der Kommutatorlamelle 17. Entsprechend ist eine Kollektorhauptbürste 33 mit der Kommutatorlamelle 27 leitend verbunden.

Eine Kollektorhilfsbürste 35, welche von der Kollektorhauptbürste 31 elektrisch isoliert angebracht ist, steht ebenfalls mit der Kommutatorlamelle 17 leitend in Verbindung. Diese Kollektorhilf sbürste 35 ist auch mit der Kollektorhilfsbürste 39 bzw. mit den Kollektor hilf sbürsten 39 und 37 verbunden, welche mit der Kommutatorlamelle 29 bzw. mit den Kommutatorlamellen 29 und 19 in Verbindung stehen. Dadurch ergibt sich eine Serienschaltung von der Kommutatorlamelle 17 zum Hochstromgleichrichter 1. Der Leiter 9 ist derart ausgewählt, daß, wenn sich die nacheilende Kante der Kollektorhauptbürste 31 der nacheilenden Kante der Kommutatorlamelle 17 nähert, ein Strom I in der

Serienschaltung entsteht. Dieser Strom wird zwangsweise auf Null durch eine rasche Verringerung der elektromotorischen

Kraft E_Q gebracht, welche im Leiter 9 durch das Polinterferenzy

feld erzeugt wird, wenn sich die Kollektorhauptbürste 31 von der

Kommutator-

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Koramutatorlamelle 17 trennt.

In Fig. 2 sind die Schaltungsverhältnisse für das Zeitintervall dargestellt, in welchem der Strom I oder I. verringert wird. Dagegen zeigt Fig. 3 die Schaltung in einem Augenblick, in welchem die Kollektorhilfsbürste von der Kommutatorlamelle 17 abzugleiten beginnt.

Wie man aus Fig. 2 entnehmen kann, beginnt die Schaltfolge, bei welcher der Kommutatorstrom I abgeschaltet wird, mit dem Zeitpunkt, bei welchem die Kommutatorlamelle 17 mit der Kollektorhilfsbürste 35 in Kontakt kommt. Die KoLLe ktorhilfsbürsten 37 und 39 stehen in Kontaktverbindung mit den Kommutatorlamellen 19 und 29 und haben sich etwa um die halbe Breite über die Kommutatorlamelle verschoben. Der Strom I vom Leiter 7 fließt über die Serienschaltung bestehend aus den Kollektorhilfsbürsten 35 und 39, dem Leiter 9 und dem Hochstromgleichrichter 1. Über diesen Weg kann nur dann ein Strom fließen, wenn die EMK im Leiter 9 größer als die Summe des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung für den Hochstromgleichrichter 1 und dem Spannungsabfall am ohmschen Widerstand des Hilfsstromkreises ist. Da die Kollektorhilfsbürste 35 gegen die Kollektorhauptbürste 31 isoliert ist, kann der Strom I zwangsweise durch die Reduzierung des Stromes I_Q auf Null entsprechend der Verringerung der EMK auf KuIl gebracht werden, wenn die Leiter 7 und 9 sich um eine halbe Kommutatorlamellenbreite verschieben. Die elektromotorische

Kraft E_Q kann durch eine separate Z wischenpolzentr al wicklung y

oder auch durch eine sehr sorgfältige Plazierung der Kollektorhilfsbürsten 37 und 39 auf den Kommutatorlamellen eines im

Polinter-

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Polinterferenzfeld der Hauptpole befindlichen Leiters eingestellt werden.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 erzeugt der Strom I über die

Kollektorhilfsbürsten ein nützliches Drehmoment, jedoch können die Leistungs Verluste, welche mit der Vorspannung in Durchlaßrichtung am Hochstromgleichrichter 1 auftreten, einen nennenswerten Teil der erzeugten Leistung pro Leiter annehmen, so daß die Durchlaßperiode des Gleichrichters auf ein Minimum gebracht werden sollte. Dies kann durch eine geeignete Wahl des Leiters 9 erfolgen, indem nämlich die Polarität der elektromotorischen Kraft E_Q sich gerade in demjenigen Augenblick umdreht, in welchem sich die Kommutatorlamelle 17 von der Kollektorhauptbürste 31 trennt. Die in den Leckinduktivitäten L₁ und L₀ gespeicherte Energie wird während des Umschaltintervalles von der in Durchlaßrichtung am Gleichrichter 1 wirkenden EMK und der in entgegengesetzter Richtung wirkenden elektromotorischen Kraft E_Q absorbiert, welche dazu beiträgt, einem Stromfluß über den Gleichrichter 1 und durch den Schaltkreis entgegenzuwirken. Die gespeicherte induktive Energie wird somit durch die Leistungsverluste des Hochstromgleichrichters 1 und das im Leiter 9 erzeugte motorische Drehmoment verbraucht.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher die Schaltung einen Hochstromgleichrichter und fünf Kollektorhilfsbürsten 35, 41, 43, 45 und 47 mit entsprechenden Kommutatorlamellen 17, 51, 53, 55, und 57 aufweist. Die Kommutatorlamellen 51 und 53 sind über einen Leiter 59 miteinander verbunden, in welchem ein Strom I_. und eine elektromotorische Kraft E__Q erzeugt wird, während die Kollektorhilfsbürsten 55 und 57 elektrisch mit dem Leiter 61 verbunden sind, welcher einen

Strom

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Strom I-. und eine elektromotorische Kraft E„, erzeugt. Die

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Kollektorhilfsbürsten sind elektrisch in Serien geschaltet,und zwar in der Reihenfolge der Numerierung, wobei die Kollektor hilfsbürste 47 in Serie zum Hochstromgleichrichter 1 liegt. Diese spezielle Ausgestaltung hat den Vorteil, verhältnismäßig lange Leitungsführungen, welche bei der ersten Ausführungsform benötigt werden, zu vermeiden.

Der Schaltkreis des beschriebenen Umschalters hat folgende Merkmale. Die Kollektorhilfsbürsten sind von den Kollektor hauptbürsten isoliert, in der Weise, daß ein Stromweg niederer Impedanz für den Strom in der Kommutatorlamelle bewirkt wird, welche sich von der Kollektorhauptbürste trennt.

Der Hochstromgleichrichter 1 ist in Serie mit der Quelle einer elektromotorischen Kraf^und einem Leiter im Polinterferenzfeld geschalteti um einer Flußumkehr des Stromes entgegenzuwirken, wenn der Strom zwangsweise auf Null gebracht wird. Die Schaltung muß, um effektiv den Ablösestrom an der nacheilenden Kante abzuleiten, eine Hilfs-EMK haben, um den Durchlaßspannungsabfall am Hochstromgleichrichter und am zusätzlichen Widerstand der Verbindungsleitungen zu überwinden.

Nachdem sich die Kollektorhauptbürste von der Kommutatorlamelle abgehoben hat, wird die EMK des Umschalters reduziert, entweder durch eine Verschiebung des Leiters durch einen reduzierten Feldbereich oder durch eine Flußänderung im Leiter, welche durch eine separate Z wischenpol wicklung ausgelöst wird. Es kann auch eine Kombination dieser Maßnahmen Verwendung

finden.

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finden.

Die gespeicherte induktive Energie in dem Schaltkreis wird in dem Hochstromgleichrichter verbraucht oder als nutzbare Leistung der Last zugeführt.

Die Schaltung zur Absorption der Umschaltenergie in dynamoelektrischen Gleichstrommaschinen für hohe Ströme und niedere Spannungen ermöglicht die Verwendung von beliebigen Kollektorbürsten niederen Widerstandes, über welche eine hohe Stromdichte ohne unerwünschte Abnutzung der Bürsten und Kommutatorlamellen übertragbar ist. Die positive Steuerung der Umschaltung unter Verwendung von elektrischen Verbindungen zu Hilf sschalt kreisen innerhalb der Maschine erhöht die Zuverlässigkeit und verbessert das Laufverhalten der Maschine.

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Claims

Patentansprüche

/ 1. !Umschalter für dynamoelektrische Gleichstrommaschinen, bei welchen Leiter des Rotors mit Kommutatorlamellen elektrisch verbunden sind, die abwechselnd mit Kollektorbürsten in Kontaktverbindung gebracht werden, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine erste Kollektorhauptbürste (31), eine erste Kommu'uiorlamelle (17) und eine erste Kollektorhilfsbürste (35) derart angeordnet .sind, daß die erste Kollektorhilfsbürste (35) und c.ie erste Kommutatorlamelle (17) vor dem Ablösen der ersten Kollektorhauptbürste in Kontaktberührung kommen,

- daß ein Gleichrichter (1) in Serie zur ersten Kollektorhau ptbürste (31) und zur Kollektorhilfsbürste (35) geschaltet ist, und

- daß eine Quelle für eine EMK einen Strom in der Serienscha.ltr.ng erzeugt, der im wesentlichen gleich dem zwischen der ersten Kommutatorlamelle (17) und der ersten Kollektorhauptbürsie

(31) fließenden Strom ist und welcher zwangsweise den Slroir. :iaf Null bringt, wenn sich die erste Kollektorhauptbürste (31) von der ersten Kommutatorlamelle (17) ablöst.
2. Umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine zweite Kollektorhauptbürste (33) und eine zweite Kommutatorlamelle (27) vorhanden ist,

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- daß die erste und die zweite Kommutatorlamelle (17, 27) über einen Leiter (7) im Rotor miteinander verbunden sind, und

- daß die erste sowie zweite Kollektorhauptbürste (31, 33) derart angeordnet sind, daß sich die erste Kollektorhauptbürste (31) immer früher von der ersten Kommutatorlamelle (17) als die zweite Kollektorhauptbürste (33) von der zweiten Kommutatorlamelle (27) ablöst.
3. Umschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine dritte Kommutatorlamelle (19) und eine vierte ICommutatorlamelle (29) über einen im Rotor verlegten Leiter (9) derart zusammengeschaltet sind, daß eine elektromotorische Kraft erzeugt wird, und

- daß eine zweite Kollektorhilfsbürste (37) sowie eine dritte Kollektorhilf sbürste (39) der dritten und vierten Kommutatorlamelle (19, 29) derart zugeordnet sind, daß sie mit der dritten und vierten Kommutatorlamelle in Kontaktverbindung stehen, wenn die erste Kollektorhilfsbürste (35) an der ersten Kommutatorlamelle (17) elektrisch leitend aufliegt.
4. Umschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die dritte und vierte Kommutatorlamelle (51, 53) über einen Leiter (59) im Rotor miteinander verbunden sind,

- daß eine fünfte und eine sechste Kommutatorlamelle (55, 57) über einen weiteren Leiter (61) im Rotor miteinander verbunden sind,

- daß die zweite Kollektorhilfsbürste (41) elektrisch mit der ersten Kollektorhilfsbürste (35) verbunden und derart angeordnet ist, daß sie die dritte Kommutatorlamelle (51) immer dann elektrisch kontaktiert, wenn die erste Kollektorhilfsbürste (35)

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mit der ersten Kommutatorlamelle (17) in Verbindung steht,

- daß eine dritte und vierte Koilektorhilfsbürste (45, 47) elektrisch die fünfte und vierte Kommutatorlamelle (55, 53) kontakueri. wenn die erste Koilektorhilfsbürste (35) mit der ersten Kornmmarorlamelle (17) in Verbindung steht,

- daß eine sechste Koilektorhilfsbürste (47) mit dem Gleichrichter

(1) in Serienschaltung verbunden ist und mit der sechsten Run.iuutator lamelle (57) in Kontaktberührung steht, wenn die erste Kollekiorhilisbürste (35) auf der ersten Kommutatorlamelle (17) anlieg:, und

daß die Leiter (59 , 61) zwischen der dritten und vierten Kommutatorlamelle (51, 53) sowie der fünften und sechsten Kommutatorlamelle (55, 57) die Quellen für jeweils eine ΤΛ1Κ (E₅₉, E₆₁) sind.

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