DE315591C - - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Einankermaschine, in der gleichzeitig Spannungen von hoher Frequenz und Gleichstromspannungen induziert werden.

Die Maschine kann also sowohl als Gleich- und Wechselstromumformer dienen, wie auch beispielsweise als Generator zur gleichzeitigen Erzeugung von Hochfrequenzwechselstrom und Gleichstrom.

ίο Die Maschine beruht auf dem bekannten Prinzip, daß die in elektrischen Maschinen auftretenden Feldschwankungen hoher Frequenz, die man sonst abzudämpfen suchte, künstlich vergrößert und so angeordnet und in Wicklungen gesammelt werden, daß man sie nützlich verwenden kann.

Zur besseren Erläuterung des Erfindungsgedankens sei auf das bekannte Prinzip näher eingegangen.

Es sei beispielsweise eine gewöhnliche Gleichstrommaschine mit gezahntem Anker angenommen. Bekanntlich entstehen in den Polschuhen Wirbelströme, die dadurch erzeugt werden, daß durch die Bewegung des gezahnten Ankers der magnetische Widerstand an jeder Stelle des Polschuhes sich ändert. An der Stelle, die einem Zahn gegenübersteht, ist der magnetische Widerstand ein Minimum, an derjenigen dagegen, die einer Nut gegenübersteht, ist er ein Maximum. Durch die Bewegung des Ankers entsteht daher an jeder Polschuhstelle fortwährend ein Minimum und ein Maximum des magnetischen Widerstandes und somit eine periodische Feldsohwankung von einem Maximum zu einem Minimum. Die

Dauer einer Periode ist gleich der Zeit, welche der Anker nötig hat, um sich um eine Zahnteilung zu bewegen. Also sind die genannten Feldschwankungen von hoher Periodenzahl, nämlich

η
6cT

Z,

die

wenn die Tourenzahl pro Minute und Z
Zahnzahl des Rotors ist.

Ein Ausführungsbeispiel der bekannten Anordnung ist in Fig. ι dargestellt. Es bedeuten in derselben A den mit einer gewöhnlichen Gleichstromwicklung versehenen Anker, E die Erregerwicklung, G den Gleichstromkommutator und b, b die Bürsten eines Nebenschlußmotors, der beispielsweise von einem Netz B gespeist wird. Führt man nun. den Anker einer Gleichstrommaschine mit weiten offenen Nuten aus, deren Zahnbreite zweckmäßig gleich oder kleiner als die Nutenbreite ist und zahnt außerdem auch den Polschuh, und zwar zweckmäßig in derselben Weise wie den Anker, so entstehen in bekannter Weise große Feldschwankungen in den Polen, die entweder in einer besonderen Wicklung oder in der Erregerwicklung selbst aufgefangen werden. Die entstehenden Spannungen von hoher Frequenz werden dann dem Nutzstromkreis W_n und C zugeführt.

Auf diese Weise hat man einen sehr einfachen Umformer von Gleichstrom in Wechselstrom hoher Frequenz, wobei die Tourenzahl niedrig gehalten werden kann.

Treibt man die Maschine von außen an, so

kann man ihr gleichzeitig Gleichstrom und Wechselstrom hoher Frequenz entnehmen (Doppelmaschine). · ■ ." . '

Die Belastung der Maschine mit Wechsel-, strom hat dabei keinen Einfluß bzw. keinen wesentlichen Einfluß auf die Tourenzahl des Umformers bzw. auf die Spannung der Doppelmaschine. Denn das von einem .F_max zu einem Ftnin schwankende Gleichstromfeld (s. Fig. 2) kann man sich zusammengesetzt denken aus einem konstanten Gleichstromfeld von der Größe ,

χ τ Jt¹ min

F"mittel — ~

und einem Wechselstromfeld von der Amplitude

F-F max -£* min
w = :

Durch die Wechselstrombelastung nimmt F_max ab, aber genau um denselben Wert nimmt -Fmin zu, so daß zwar F_w abnimmt, aber nicht ■^mittel·

Durch den Einfluß der Eisensättigung kann jedoch unter Umständen auch eine kleine Schwächung von -F_mittei entstehen. Beim Umformer wird dieses zur Folge haben, daß er schneller läuft und die Frequenz steigt. Da ■ es nun für Hochfrequenzmaschinen sehr wichtig ist, daß die Frequenz möglichst konstant bleibt, so wird man gegebenenfalls auf der Maschine eine Einrichtung treffen, die bezweckt, daß mit zunehmender Wechselstrombelastung und somit auch mit zunehmendem Motorstrom das Gleichstromfeld der Maschine verstärkt wird.

Um auch die Rückwirkung des Gleichstromankerfeldes auf das Erregerfeld aufzuheben, kann man in bekannter Weise noch eine Kompensationswicklung auf dem Ständer anbringen. ■

Die bekannte Maschine nach Fig. 1 hat' nun den Nachteil, daß in den von den Bürsten b kurzgeschlossenen Spulen Wechsel-Stromspannungen von hoher Frequenz entstehen, die einerseits das nützliche Wendefeld teilweise aufheben und andererseits Funken unter den Bürsten erzeugen. Um diese Nachteile zu vermeiden, unterteilt man erfmdungsgemäß die Polschuhe in zwei oder mehrere Teile, im folgenden, auch Einzelpole genannt, deren Zänne abwechselnd um 180 ° elektrisch (bezogen auf die Hochfrequenz) gegeneinander verstellt sind. Wenn also das Feld, unter einem Pol ein Maximum ist, ist es unter dem anderen ein Minimum. Somit ist die Summe der Felder von je zwei Einzelpolen, stets konstant oder nahezu konstant, und es wird daher in den von den Bürsten kurzgeschlossenen Spulen keine Hochfrequenz-Ε. M. K. induziert, während in jedem Einzelpol dennoch eine Feldschwankung vorhanden ist. Man umwickelt daher jeden Einzelpol und schaltet die auf diese Weise gebildeten Wicklungselemente im richtigen Sinne hintereinander oder parallel, aber immer so, daß die in ihnen induzierten E. M. Ke. bzw. Ströme in bezug auf den Arbeitsstromkreis nicht gegeneinander wirken.

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Es. bezeichnen hierin ebenfalls wie in Fig. ι A den Anker und P die Erregerpole einer Gleichstrommaschine mit den Bürsten b und dem Kommutator G. Die Zahnung des Ankers und der Polschuhe sind der Einfachheit wegen weggelassen worden. Der Anker ist auf dem ganzen Umfang gleichmäßig · gezahnt, während jeder Pol in die Teile 1, 2 bzw. 3, 4 geteilt ist; Die dick ausgezogenen Linien auf den Teilen 1 und 3 bedeuten, daß in einem gegebenen Moment dort die Zahnt des Ständers und die des Rotors sich gegenüberstehen und , somit dort das Feld ein Maximum ist. Der Einzelpol 2 ist gegen den Einzelpol 1 um 180° elektrisch verstellt, ebenso der Einzelpol 4 gegen den Einzelpol 3, d.h. bei diesen Polen steht im gegebenen Moment ein Zahn einer Nut gegenüber, und das Feld ist ein Minimum. Bewegt sich der Anker aus dieser Lage um eine halbe Zahnteilung, so entsteht ein Maximum des Feldes unter den Polen 2, 4 und ein Minimum unter den Polen i, 3. In jedem Einzelpol schwankt das Feld von einem Maximum zu einem Minimum. Umgibt man also jeden Einzelpol mit den Drähten d, so entstehen in ihnen Spannungen, deren momentaner Richtungssinn durch Zeichen + und — angedeutet ist. Es kommt also nur darauf an, die Drähte im richtigen Sinne hintereinander oder parallel zu schalten, um einen Nutzstrom aus denselben zu bekommen. ■

Die Summe der Fluxe der ,Einzelpole 1, 2 bzw. 3, 4 ist, wenn Zahnbreite = Nutenbreite ist, stets konstant. Ist dagegen Zahnbreite L Nutenbreite, so schwankt die Summe etwas; aber diese Schwankung läßt sich durch Anbringung einer mit der Erregerwicklung koachsialen Kurzschluß wicklung in bekannter Weise abdämpfen. Somit entstehen in den von den Bürsten kurzgeschlossenen Windungen keine wesentlichen Hochfrequenzspännungen. ■■ Eine nähere Überlegung zeigt, daß die Drähte A₁, A₁ und A₂, A₂' überflüssig sind. Denn da sie paarweise in denselben Nuten liegen, aber von Strömen entgegengesetzter Richtung durch- 115' flössen sind, so ist ihre Gesamtwirkung gleich Null. Bei dem Beispiel (Fig. 3) kann man also mit den Drähten A- und A' auskommen.

Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß die Achse der Wicklung A, A' senkrecht auf der von E ist und somit mit der Bürstenachse zusammenfällt. Wenn also in A, A' Hochfrequenzspan-

nungen entstehen, so müssen sie auch zwischen den Bürsten b, b entstehen. Daraus folgt, daß man auch die' Wicklung d, d' entbehren und die Hochfrequenzspannungen den Bürsten 5, b selbst (gleichzeitig mit dem zu- oder abgeführten Gleichstrom) entnehmen kann. Eine j solche Anordnung ist in Fig. 4 schematisch ! dargestellt. j

Hier bedeuten C den Kondensator (der ver- j hindern soll, daß Gleichstrom in den Wechsel- j Stromkreis fließt), W_n den Nutzwiderstand, im Wechselstromkreis, W_e den Regulierwiderstand für die Gleichstromerregung.

Die Besonderheit des beschriebenen Gleichstrom-Wechselstromumformers besteht darin, daß der Gleich- und Wechselstrom nicht nur eine und dieselbe Wicklung durchfließt, sondern auch ein und dieselben Bürsten, so daß Schleifringe entbehrlich sind.

Um zu verhindern, daß der Hochfrequenzstrom in das Gleichstromnetz fließt, dient in bekannter Weise die Drosselspule D., Man kann jedoch auch diese vermeiden, wenn man die Maschine (s. Fig. 5) mit einer noch zu anderen Zwecken dienenden Serienkompen- j sationswicklung K versieht. Man braucht letz- | tere nur so zu bemessen und auf dem Ständer zu verteilen, daß die Hochfrequenzspannungen in dem Anker und, in der gleichachsigen Kompensationswicklung sich gegenseitig ganz oder nahezu ganz aufheben. Am einfachsten geschieht es dadurch, daß man die Kompensationswicklung genau oder nahezu genau so auf dem Umfange verteilt wie die Anker Wicklung.

Diese Kompensationswicklung dient gleichzeitig zur Aufhebung des Ankerfeldes (und somit dessen Rückwirkung auf das Erregerfeld) und der Funkenbildung durch das Gleichstromankerfeld.

Da die Kompensations- und die Ankerwicklung gleichachsig sind, so kann man den Hochfrequenzstrom auch der Kompensationswicklung entnehmen oder einen gegebenenfalls regelbaren Teil derselben . (s. Fig. 6) oder - auch dem Anker und zugleich einem gegebenenfalls regelbaren Teil der Kompensationswicklung (s. Fig. 7) gleichzeitig. .

Nach Anordnung (Fig. 6 und 7) hat man den Vorteil, daß man die Hochfrequenzspannung ohne Änderung des Erregerfeldes beliebig ändern kann. .

Will man dagegen bei Anordnung (Fig. 4) die Hochfrequenzspannung ändern, ohne die Touren zahl des Umformers zu beeinflussen, muß man gleichzeitig mit der Änderung des Gleichstromfeldes auch die Gleichstromspannung ändern. ■ .

Um einen Kondensator im Wechselstromkreis zu vermeiden, kann man nach Fig: 8 koachsial mit der Wicklung K eine Wicklung A₁ anbringen und erst dieser die Nutzspannung entnehmen. Diese Wicklung kann genau so liegen wie die Wicklung d, d' in Fig. 3.

Man kann die Kompensationswicklung bei der vorigen Anordnung auch ganz oder teilweise als Wende wicklung ausführen. In diesem Falle werden die Hochfrequenzspannungen im Anker und in der Wendewicklung (K_n, in Fig. 9) meistens sich nicht ganz aufheben, da ja einerseits zur Erzeugung eines Wendefeldes eine Überkompensation de'r . Amperewindungen in der Bürstenachse vorhanden sein muß und andererseits die Wicklung K₁₁, anders verteilt sein kann- als die Ankerwindungen, und man wird dann im Gleichstromkreis eine kleine Drosselspule D einschalten.

Eine andere Möglichkeit ist die, die Kompensationswicklung mit etwas mehr Windungen als den Anker auszuführen, damit aber die Spannungen von Anker und Kompensationswicklung gleich sind, die Kompensationswicklung in der Nähe der Wendezone' zu konzentrieren, also einen Teil der Kompensationswicklung von kleinerer Wertigkeit (kleinere umspannte Fläche) als den' entsprechenden Teil auf dem Anker zu machen. Zur Konstanthaltung der Hochfrequenzspannung muß man folgende Anordnung treffen.

Man teilt die Hochfrequenzwicklung (siehe Fig. 3) in zwei Teile, von den en. ein Teil die Viertel 1 und 3 und der andere die Viertel 2 und 4 umfaßt. Nehmen wir an, daß durch die Ankerrückwirkung das Hauptfeld in den Vierteln 1 und 3 geschwächt wird, so muß es in den Vierteln 2 und 4 verstärkt werden. Man wird nun beide Teile der Wicklung getrennt benutzen und zwar für den Fall, daß konstante Spannung gewünscht wird, den Teil, der 1 und 3 umfaßt, für den anderen Fall dagegen den Teil, der die Viertel 2 und 4 umfaßt.

Bei den Anordnungen (Fig. 4 bis 9) sind die Pole nach Fig. 3 gedacht. Man kann nun jeden Erregerpol in eine mehrfache Zahl von 2 teilen, beispielsweise in 4, 6, 8 usw., im allgemeinen in 2 K-Einzelpole zerlegen, wobei jeder Teil um 180 ° elektrisch (bezogen auf Hochfrequenz) gegen den benachbarten verschoben ist, und wobei K eine ganze positive Zahl bedeutet.

Ist K eines, gerade Zahl, so entstehen in der Gleichstromwicklung sowie in einer mit ihr gleichpoligen und gleichachsigen Wicklung überhaupt keine Hochfreqüenzspannungen, Dieses hat zunächst den Nachteil, daß man zur. Entnahme von Hochfrequenz besondere Wicklungen von kleinerer Polzahl auf dem Ständer anbringen muß, andererseits aber den Vorteil, daß die Eisenwege, auf denen Feldschwankungen entstehen, kürzer werden. Man braucht also einerseits keine Drosselspulen und keine Kondensatoren und ist in der Bemessung

Claims (8)

1. einer etwa nötigen Kompensationswicklung freier. Andererseits' sind auch die Eisenverluste und die Schirmwirkung der Wirbelströme kleiner. . ■ ■ ■

   Ein Aiasführungsbeispiel mit K = 2 ist in Fig. Io dargestellt. Der Ständer ist so genutet, daß, wenn Unter den Teilen 1, 3, 5 und 7 Zahn gegen Zahn stehen, unter den Teilen 2, 4, 6 und '8 Zahn gegen Nut stehen und umgekehrt. Die Kompensationswicklung K kann dann unter Umständen weggelassen werden bzw. durch eine Wendewicklung ersetzt werden. Bei ihrer Verwendung und - Bemessung wird man sich nur durch Rücksichten auf gute Gleichstromkommutierung und Aufhebung des Ankerfeldes leiten lassen.

   P ATKNT- An Sprüche:

   I. Gleichstrom-Wechselstrommaschine - mit verteiltem Eisen oder ausgeprägten Polen, insbesondere für Hochfrequenz, wobei das Gleichstromfeld als Nutzfeld zum Antrieb der Maschine als Motor oder zur Erzeugung von Gleichstrom verwendet wird, und die Polflächen des Ständers in bezug. auf den Winkel der Zahnteilung gleiche Bezahnung haben wie der Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Teile der Ständerpolflächen (Einzelpole) zwar die . gleiche Bezahnung wie der Läufer haben, aber sich abwechselnd¹ in der Zahnlage' um 180 elektrische Grade (bezogen auf die

   : Hochfrequenz) unterscheiden, so daß in . einer Wicklung, in der die Summe von zwei oder mehreren solchen Einzelpolen zur Wirkung kommt, das Gesamtfeld konstant oder nahezu konstant bleibt.
2. 2. Hochfrequenzmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz der Gleichstromarbeitswicklung selbst oder einer ihr koachsialen Wicklung auf dem Ständer entnommen wird.
3. 3. Hochfrequenzmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspannung einer.zu der Achse der Erregerpole senkrecht stehenden Wicklung entnommen wird.
4. 4. Hochfrequenzmaschine nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wicklung für die Hochfrequenzspannung die Läuferwicklung in der zur Erregerwicklung senkrechten Achse benutzt wird.
5. 5. Hochfrequenzmaschine nach Anspruch 1 und den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung für die Hochfrequenzspannung zugleich an die Gleichstromquelle über eine Drosselspule oder die Kompensationswicklung angeschlossen ist.
6. 6. Hochfrequenzmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Wicklung für Hochfrequenz entweder die Kompensationswicklung bzw. ihr gegebenenfalls regelbarer Teil allein (Fig. 6) oder auch außerdem die Läuferwicklung (Fig. 7) benutzt wird.
7. 7. Hochfrequenzmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch. gekennzeichnet, daß die Wicklung für die Hochfrequenzspannung auf dem Ständer unabhängig von der mit , dieser koachsialen Kompensationswicklung angebracht ist, zwecks Vermeidung eines Kondensators im Hochfrequenzkreise (Fig. 8).
8. 8. Hochfrequenzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerpole je in einer doppelgeraden Anzahl von gegeneinander bezüglich· ihrer Zahnlage um 180° (bezogen auf die Hochfrequenz) versetzten Teilpolen geteilt ist (Fig. 10).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen,