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Dreh- oder Wechselstrommotoren mit umlaufenden Statoren und mehreren
Feldgeschwindigkeiten. Es: ist bekanntlich wünschenswert, daß die Traktionsmotoren
und für ähnliche Zwecke gebaute Motoren im Verhältnis zum normalen Drehmoment ein
möglichst großes Anlaufsdrehmoment besitzen, und daß bei diesen Motoren mehrere
Geschwindigkeitsstufen verfügbar sind. Indessen konnte man bis jetzt, insbesondere
bei Dreh- und Wechselstrommotoren, große Anlaufsdrehmomente und mehrere Geschwindigkeitsstufen
nur unvollkommen und auf umständliche Art erzielen.
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Die angedeutete Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein neues Mittel
gelöst, welches entweder allein oder in Verbindung mit den schon bekannten Mittelft
Anwendung finden soll. -Dieses für die Erfindung charakteristische Mittel besteht
darin, die Statoren zweier oder mehrerer Motoren, von welchen bereits bekannt ist,
daß- sie umlaufend angeordnet werden können, derart miteinander 'zu kuppeln, daß
sie sich mit entgegengesetzt geriehteten Geschwindigkeiten, die in zweckmäßig gewähltem
Verhältnis zueinander stehen, drehen, während die Rotoren, welche auch zu einem
einzigen vereint werden können, gleichgerichtete Geschwindigkeiten besitzen.
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Die Erfindung ist anwendbar bei allen Arten von Dreh- und Wechselstrommotoren
; von besonderer Bedeutung ist sie für Motoren mit käfigartigen Rotoren, die sich
bekanntlich durch Einfachheit, Widerstandsfähigkeit, Billigkeit und leichte Bedienbarkeit
auszeichnen: Im- nachstehenden ist die Erfindung beispielsweise für Drehstrommotoren
mit käfigartigen Rotoren veranschaulicht, wobei die Motoren an einem Straßenbahnwagen
o. dgl. angewandt gedacht sind. Die Antriebsmaschine zerfällt in zwei gleiche Motoren
oder in einen Motor, welcher einen in zwei voneinander unabhängige Teile geteilten
Stator besitzt. Die Motoren sind mit einer bekannten Anordnung zur Erzielung von
verschiedenen Feldgeschwindigkeiten versehen, als welche beispielsweise die bekannte
Umschaltung der Polzahl Verwendung finden kann. Durch einfache Stromumkehr können
die Feldgeschwindigkeiten auch die entsprechenden negativen Werte erhalten.
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Die Erfindung ist in zwei Ausführungsformen beispielsweise dargestellt,
und zwar zeigt Abb. z die Anordnung schematisch mit zwei auf getrennten Achsen sitzenden
Rotoren, Abb. 2 mit zwei auf der gleichen Achse sitzenden Rotoren, Abb. 3 und q.
stellen Diagramme der Drehmomente im Verhältnis zur Feldgeschwindigkeit bzw. zur
Wagengeschwindigkeit dar.
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In den Abbildungen bedeuten =, x' Rotoren, 2, 2' Statoren einer Drehstrommotorenanordnung.
Die Statoren 2, 2' sind drehbar auf Achsen 3, 3' angeordnet und mit Zahnrädern 4.
4' fest verbunden, welche gemäß Abb. r unmittelbar, -gemäß Abb. 2 vermittels eines
Zahnrades 5 ineinander arbeiten. Infolgedessen besitzen die Statoren 2, 2' entgegengesetzt
gerichtete Geschwindigkeiten. Auf den Achsen 3, 3' sind die Rotoren z, x' fest aufgekeilt,
so daß
sie nach der Ausführungsform der Abb, z ohne weiteres gleiche
und gleichgerichtete Geschwindigkeiten haben, während die gleichgerichtete und,
falls erwünscht, auch gleiche Geschwindigkeit für die in Abb. i gezeigte Ausführungsform
durch geeignete Mittel, z. B. aufgesetzte Riemenscheiben 6, 6' und einen Verbindungsriemen
7, erzielt wird. Die Achsen 3, 3' sind in Lagern g, g' des Rahmens io des Wagens
drehbar. Schließlich bedeuten ii, ii' bekannte Stromzuleitungsanordnungen der Motoren.
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In dem in Abb.3 dargestellten Diagramm ist als Abszisse die Winkelgeschwindigkeit
des Feldes, als Ordinate das Drehmoment aufgetragen; infolgedessen zeigen die Kurven
A und B den Verlauf der Drehmomente in Funktion zu den Feldgeschwindigkeiten, und
zwar Kurve A für die größere, positiv gerichtete Feldgeschwindigkeit, Kurve B für
die kleinere, positiv gerichtete Feldgeschwindigkeit, während Kurve C zum besseren
Verständnis des Folgenden als Spiegelbild der Kurve B aufgetragen ist.
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Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende Läßt man den Strom nur
in den einen der beiden Statoren eintreten, und zwar derart, daß sich dort die größere
positive Feldgeschwindigkeit ausbildet, so läuft der Stator mit einer Geschwindigkeit,
welche dem Synchronismus nahekommt, an, der andere Stator wird mitgenommen, wobei
der Stromverbrauch, da nur geringe Lager u. dgl. Reibungen zu überwinden sind, niedrig
ist. -Beide Rotoren werden hierbei durch die Reibung der Räder festgehalten. Hierbei
besitzt das System kein nutzbares Drehmoment und gibt keine nutzbare Arbeit ab.
Der-anzutreibende Wagen verharrt in Stillstand. Weil das System auch bei Stillstand
des Wagens in Bewegung bleibt, bedarf es keiner schwierigen Vorrichtung für den
Anlauf der Motoren.
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Im Diagramm der Abb. 3 ist im Punkte a j die Winkelgeschwindigkeit
fast gleich dem Synchronismus, das Drehmoment ao, a also fast gleich 0. Läßt man
nun den Strom auch in den zweiten Motor, und zwar mit der negativen, kleineren Feldgeschwindigkeit
eintreten, daß ist für diesen zweiten Motor das Drehmoment a. a', das Drehmoment
des zweiten Motors hat also einen gewissen, von 0 verschiedenen Wert und ist hemmend.
- Weil das hemmende Moment t größer als das antreibende ist, sind beide Statoren
gezwungen, ihre Drehgeschwindigkeit zu vermindern. So ergibt sich z. B. in der Stellung
bo b' ein Zustand, in welchem das hemmende Moment ebenfalls größer als das
aktive ist, die Verminderung der Geschwindigkeit der Statoren schreitet weiter fort.
Dieser ' Vorgang spielt sich weiter ab bis zu einem bestimmten Punkt, nämlich c,
cc' der Abb. 3, wo die Kurven sich überschneiden, wo also die beiden entgegengesetzten
Drehmomente gleiche Werte erreicht haben. Eine weitere Verminde-' rung der Geschwindigkeiten
der Statoren kann nicht stattfinden, weil in den weiteren Stellungen, z. B. d,
d', das negative Drehmoment kleiner als ' das positive wird, wodurch die
Statorengeschwindigkeit allmählich wieder anwächst, bis sie den Wert c, cc' wieder
erreicht hat. In dem sie sich auf diesen Punkt einstellt, ist die Geschwindigkeit
der Statoren also fest bestimmt und stabil, solange die Rotoren in Ruhe bleiben.
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Wenn die charakteristischen Kurven A und B und auch das Verhältnis
der Statorgeschwindigkeiten zweckmäßig gewählt sind, fällt der Schnittpunkte,
c' der Kurven A und B annähernd mit dem größten Drehmoment zusammen.
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Man sieht ohne weiteres am Verlauf der Kurve A, daß der Rotor des
ersten Motors ein positives Drehmoment liefert, also den Wagen nach vorwärts anzutreiben
bestrebt ist; ferner ergibt sich, daß auch der Rotor des zweiten Motors ein positives
Drehmoment liefert, das den Wagen ebenfalls nach vorwärts zu treiben sucht. Der
Grund hierfür besteht darin, daß die absolute Feldgeschwindigkeit des zweiten Motors
positiv gerichtet ist, da seine nach vorwärts gerichtete Statorgeschwindigkeit größer
ist als die ihm von außen her erteilte negative Feldgeschwindigkeit. Angenommen,
daß die vorwärts gerichtete Statorgeschwindigkeit, die in Abb. 3 durch die Abszisse
0c bestimmt ist, etwa gleich 3/4 der Synchrongeschwindigkeit OS ist, und daß die
rückwärts gerichtete Feldgeschwindigkeit 2/4derSynchronismusgeschwindigkeit ist,
so ergibt sich, daß die absolute Feldgeschwindigkeit nach vorwärts gerichtet ist
und die Größe von etwa 1/4 der Synchrongeschwindigkeit besitzt. - Somit ist klargestellt,
däß das Drehmoment des Stators positiv ist. Beide Motoren treiben also mit dem größtm.öglichsten
Drehmoment den Wagen vorwärts.
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Die Zeit, welche erforderlich ist, um den Weg von aö co und damit
die Trägheit der Statoren zu überwinden, ist gering; inzwischen ist das auf den
Wagen wirksame Drehmoment von 0 allmählich und stoßfrei auf seinen größten Wert
gestiegen. Der Wagen muß also anlaufen. Die Rotoren besitzen nun eine gewisse Geschwindigkeit,
was bedeutet, daß der Punkt c auf der Kurve A nach rechts, der Punkt c der Kurve
G nach links wandert, so daß im Punkt d bzw. d'
die gleichen Drehmomente
d, d bzw. d. dl vorhanden sind. Im, weiteren Verlauf werden die Drehmomente
beider Motoren immer kleiner, bis sie wieder gleich 0 werden, während die Geschwindigkeiten
der Rotoren wachsen.
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In Abb. q, in der die Rotorengeschwindgkeit bzw, die Wagengeschwindigkeit
als Abszisse, die Drehmomente des einen Motors als Ordinate aufgetragen sind, stellt
die Kurve I die beschriebene erste Phase dar.
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Beabsichtigt man nun die Geschwindigkeit
des Wagens
zu steigern, so schaltet der- Wagenführer in einem geeigneten Zeitpunkt, beispielsweise
im Punkte e der Abb. 4, derart, daß beide Motoren die positive; kleinere Feldgeschwindigkeit
erhalten. Infolgedessen laufen die Statoren noch langsamer, bis sie im gegenseitigen
Gleichgewicht stehen. Beide Motoren arbeiten hierbei in der normalen, bekannten
Weise; wobei aber die Geschwindigkeiten der Rotoren genügend groß sind, um in der
Zone der größten Drehmomente zu arbeiten. Auf diese Weise ist die zweite Geschwindigkeitsstufe
erreicht, welche in Abb. 4 als Kurve II dargestellt ist.
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Beabsichtigt man die Geschwindigkeit auf die dritte Stufe zu erhöhen,
so wird in einem geeigneten Zeitpunkt, beispielsweise im Punkt f der Abb. 4, die
Schaltung derart geändert, daß in den ersten Motor die positive, kleinere Feldgeschwindigkeit,
in den zweiten Motor die positive, größere Feldgeschwindigkeit eintritt. Die Statoren
werden sieh infolgedessen aiü-eine bestimmte Geschwindigkeit einstellen, bis die
Drehmomente gleich werden. Dann laufen die Motoren und somit der Wagen noch schneller,
entsprechend einer (nicht gezeichneten) Kurve, die zwischen den Kurven A und ß der
Abb. 3
Zur größeren Klarstellung des inneren, sich im Maschinenaggregat abspielenden Vorgänge
sei noch bemerkt, daß in der Zeit, in der beide Motoren nutzbare Arbeit liefern,
der erste Stator elektrische Arbeit aus der Leitung aufnimmt, die er als mechanische
Arbeit dem zweiten Stator weitergibt. Der letztere seinerseits gibt teilweise die
mechanische Arbeit seinem Rotor als Triebkraft ab, teilweise transformiert er sie
in elektrische Arbeit zurück, die von der Leitung wieder aufgenommen wird. Beide
Motoren laufen also mit dem praktisch besten Drehmoment und Wirkungsgrad, wobei
ein Teil der von dem ersten Motor aufgenommenen Energie vom zweiten Motor wieder
an die Leitung Zurückgegeben wird. Der zweite Motor arbeitet also teilweise, und
Zwar proportional seiner Xotorengeschwindigkeit, als mechanischer Motor, teilweise,
und zwar seiner zu denken ist und die in Abb. 4 als Kurve III ihren Ausdruck gefunden
hat.
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Eine vierte Steigerung der Geschwindigkeit kann man erreichen, wenn
man in einem passenden Zeitpunkt, beispielsweise dem Punkt g der Abb. 4, die Schaltung
derart verändert, daß beide Motoren die große, positive Feldgeschwindigkeit erhalten.
Die Statoren kommen dann wiederum, ins Gleichgewicht bei einer gewissen Geschwindigkeit,
wobei gleiche Drehmomente auftreten und die Motoren in der bekannten Weise arbeiten,
aber wiederum, weil der Rotor eine entsprechend große Geschwindigkeit besitzt, nur
in der Zone der größten Drehmomente. Der Wagen hat hierbei seine größte Geschwindigkeit,
welche in Abb. 4 durch Kurve IV dargestellt ist. Nach dem Gesagten wird durch die
beispielsweise beschriebene Ausführungsform der Erfindung erreicht, daß vier verschiedene,
fest bestimmte Geschwindigkeiten zur Verfügung stehen, wobei jedesmai das größte
Drehmoment und der praktisch beste Wirkungsgrad ausgenutzt wird.
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In der nachstehenden Tabelle sind die als Beispiel gewählten, bisher
beschriebenen Schaltungskombinationen zusammengestellt Statorengeschwindigkeit entsprechend,
als Generator.
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Die Vorteile dei Erfindung bestehen darin; däß das Anlaufmoment groß
ist,. mehrere Geschwindigkeitsstufen zur Verfügung stehen, und daß ferner, wenn
der Wagen bergab läuft, durch die beschriebene Anordnung ohne weiteres die Schwerkraft
in elektrische Arbeit umgeformt wird, und zwar bei allen vier Geschwindigkeitsstufen,
welcher Vorgang durch die Verlängerungen der Kurven I, II, III, IV im unteren Teil
der Abb.4 dargestellt ist.
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Die Zurückgewinnung elektrischer Energie tritt auch auf, wenn die
Motoren auf eine niedrigere Geschwindigkeitsstufe, als der Fahrtgeschwindigkeit
entspricht, geschaltet werde. Die Wirkung entspricht einer Bremsung, wobei die kinetische
Energie in elektrische Arbeit umgesetzt und der Leitung zurückgegeben wird.
Es
soll noch darauf hingewiesen werden, daß man im allgemeinen die Geschwindigkeiten
der Statoren annähernd gleich wählen v@ird; doch kann, es unter Umständen vorteilhaft
sein., die Statoren nicht mit gleicher, sondern mit verschiedener Geschwindigkeit
laufen zu lassen. Dies kann man leicht erreichen, indem man die Zahnräder 4, 4'#
der Ausführungsform nach Abb. i verschieden wählt oder indem man das Übersetzungsverhältnis
des Kegelradantriebes 4, 4', 5 nach Abb. 2 durch Einschaltung eines weiteren Kegelrades
verändert; die Geschwindigkeitsverschiedenheit der Statoren kann dazu dienen, das
Anlaufsdrehmoment oder `die Über= gangspunkte e, f, g der Abb. 4 oder auch den Wirkungsgrad
in der I. und III. Schaltung zu verbessern. Bei ungleichen Geschwindigkeiten der
Statoren bleiben diese während der Schaltung II und IV nicht mehr annähernd stehen,
sondern laufen mit einer gewissen Geschwindigkeit, die von dem Übersetzungsverhältnis
der Zahnräder abhängt, weiter. Erzwingt man aber den Stillstand der Statoren, .
beispielsweise mittels einer Hand- oder elektromagnetischen Bremse, so ist die Möglichkeit
geboten, zwei weitere an sich bekannte, zwischen den bereits beschriebenen Kurven
liegende (in der Zeichnung nicht dargestellte) Kurven II' und IV' und infolgedessen
auch zwei neue Geschwindigkeitsstufen zu schaffen. Dies. ergibt unter Umständen
den Vorteil, daß man auf die Polumschaltung j ganz verzichtet und nur eine einzige
Feldgeschwindigkeit für jeden Motor behält, wobei durch die obenerwähnte Verschiedenheit
des Übersetzungsverhältnisses der Zahnräder mit j Hilfe der Bremseinrichtung die
Geschwindigkeitsstufen geschaffen werden. Die auf diese Weise konstruierten Motoren
werden also von ganz besonders einfacher und billiger Bauart i sein.
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Es ist selbstverständlich, daß man den die Erfindung bildenden Motor
ohne weiteres so bauen kann, daß die miteinander gekuppelten Statoren gleichgerichtete
Drehrichtung besitzen, während die miteinander gekuppelten Rotoren [ in entgegengesetzter
Drehrichtung umlaufen.
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Die Anwendung der Erfindung ist vorzugsweise für Drehstrommotoren
beschrieben ! worden;-die Erfindung kann jedoch ohne weiteres auch für Einphasenstrom
Verwendung finden. Für diese Motoren bietet die Erfindung noch. den besonderen Vorteil,
daß die Statoren der -einmal angelassenen Motore dauernd laufen können, und zwar
auch dann, wenn vom Motor keine Arbeit gefordert wird, also z. B. während des Stillstandes
des -Straßenbahnwagens. Im übrigen ist` auch das erste Anlassen des erfindungsgeiäß
gebauten Motors dadurch erleichtert, daß die Statoren in. Leerlaufstellung angeworfen
werden. Für dieses erste Anlassen kann man infolgedessen sehr einfache Vorrichtungen,
z. B. eine abnehmbare Anwerfkurbel, benutzen.