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Elektrische Kupplung mit einem Läufer und einem Ständer, deren Wicklungen
durch einen Kommutator verbunden sind. Den Gegenstand der Erfindung bildet eine
elektrische Kupplung, welche auch als Wechselgetriebe verwendet werden kann, um
von einer treibenden oder Kraftwelle eine anzutreibende oder Arbeitswelle anzutreiben.
Die Maschine besitzt zunächst die bekannte Ausführung mit Ständer, Läufer und dazwischen
umlaufendem Anker, wobei der Anker mit. einem Kommutator ausgerüstet ist.
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Gegenüber derartigen als Gleichstrommaschinen arbeitenden Typen unterscheidet
sich die Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung darin, daß sie als Wechselstromkommutatormaschine
arbeitet, indem zwischen dem Läufer und dem Ständer mehrphasiger Wechselstrom durch
den mit dem Läufer verbundenen Kommutator und feststehende Bürsten übertragen wird
und die Mehrphasigkeit der Ständerwicklung aus Zähl und Anordnung der Bürsten sich
ergibt. Der Anker besitzt dabei zwei Sätze unabhängig voneinander erregter Feldmagnete,
von denen der eine in induktiver Wirkung zum Ständer und. der andere in induktiver
Wirkung zum Läufer steht. Die Vorteile, die diese Anlage besitzt, bestehen in der
besseren Wirkungsweise, der leichteren Bauart, einer leichteren Handhabung und einer
besseren Ausnutzung der elektrischen Verhältnisse. Die Erfindung eignet sich vor
allem als Anläßvorrichtung oder als Wechselgetriebe für Kraftfahrzeuge. Auf Grund
der gekennzeichneten Ausführung der Maschine ergibt sich folgende Wirkungsweise.
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Von dem Läufer v@ird, solange der Anker stillsteht, Gleichstrom in
den Ständer geschickt. Sobald sich der Anker in Umlauf setzt, entsteht in den Wicklungen
des Ständers ein Drehfeld, das in seiner Winkelgeschwindigkeit mit der des Ankers
übereinstimmt, also synchron ist. Die Zugkraft auf den Anker ist bei Stillstand
und geringen Tourenzahlen desselben sehr groß, indem sie sich aus der Summe der
von dem Läufer und dein Ständer ausgeübten Zugkräfte zusaminensetzt. Die Spannung
des Läufers besitzt das Maximum, wenn der Anker in Ruhe ist und verringert sich,
wenn der Anker dem Läufer in seiner Drehung folgt. Die in den Wicklungen des Ständers
erzeugte E. M. G. K. ist bei Stillstand des Ankers gleich Null.
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Findet nun eine Beschleunigung der Geschwindigkeit des Ankers- statt;
so fällt die Läuferspannung, und die E. M. G. K. im Ständer wächst. Beide Kräfte
erreichen dann bei einer gewissen Geschwindigkeit des Ankers den gleichen Wert.
Der Strom zwischen Läufer und Ständer wird dann gleich Null. Hierdurch wird die
Geschwindigkeit des Ankers unabhängig von der Belastung begrenzt.
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Hierbei muß aber eine Schlüpfung über diese -kritische Geschwindigkeit
hieaus vorhanden sein, damit die Läuferspannung genügend vorherrscht, um dem Anker
das erforderliche Drehmoment zu erteilen.
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Die Zugkraft des Ständers auf den Anker übertrifft die des Läufers,
weil auf dein Ständer beträchtlich mehr Amperewindungen als auf dein Läufer vorhanden
sind.
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Durch Umkehrung der Zugkraft des Ständers
auf den
Anker gegenüber der des Läufers rotiert der Anker gegenläufig. Dies läßt sich entweder
durch Umkehrung der Verbindung zwischen Bürsten und Ständerwicklung oder durch Umkehrung
des Kraftlinienstrornes, der die Ständerwicklung schneidet, erreichen. Durch Änderung
des Spannungsunterschiedes zwischen Läufer und Ständer kann man dem Anker verschiedene
Geschwindigkeiten erteilen.
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Weitere Besonderheiten der Erfindung wie auch die eingehendere Erläuterung
der in der Einleitung gegebenen elektrischen Vorgänge läßt die nachfolgende Beschreibung
an Hand eines Ausführungsbeispiels erkennen.
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Es bedeutet: Abb. i einen Längsschnitt durch die Mitte der Maschine,
Abb. 2 einen senkrechten Schnitt, während Abb. 3 die Stromverläufe ersichtlich macht.
Der Ständer i ist aus Lamellen zusammengesetzt und im Maschinengestell e angeordnet.
In Längsschlitzen 3 des Ständers liegt die Mehrphasenwicklung 4. Der Läuferkern
5 ist ebenfalls aus Lamellen zusammengesetzt und sitzt auf einer Nabe 6 der Kraftwelle
7. Die Läuferwicklung 8 wird von Längsschlitzen 9 (Abb. 2) aufgenommen. Mit dieser
Wicklung ist Kommutator io (Abb. i) verbunden, der ebenfalls von der Welle 7 getragen
wird. Die Welle 7 trägt ferner noch drei Schleifringe i i, die mit dem Kommutator
in der aus Abb. i und 3 ersichtlichen Weise verbunden sind und durch einen Schalter
12 kurzgeschlossen werden können.
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Das Maschinengestell trägt die Bürsten 14, i 5 und 16 (Abb.
i und 3), welche auf dem Kommutator i o ruhen und durch Drähte 14', 15' und 16'
an die entsprechenden Phasenwicklungen 4b, .4c und 411 des Ständers 4 angeschlossen
sind.
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Das Feldelement oder der Anker besteht aus zwei Sätzen von Feldmagneten,
die von dem magnetisch leitenden Ring 17 (Abb. i und 2) zwischen dem Ständer und
dem Läufer durch eine Stahlspeichenscheibe 18 getragen werden, die an einer Muffe
i9 befestigt ist.
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Die Muffe ig ist mit der Arbeitswelle 30 gekuppelt. Der Magnetring
17 besitzt sechs radial angeordnete Pole, die abwechselnd nach einwärts und auswärts
zum Ring 17 gerichtet sind. Die Zwischenteile des Ringes bilden magnetisch leitende
Jochstücke, die die Pole der einen Seite 2o11, tob, 2oG mit den Polen 2i11, 2111,
2ic der anderen Seite verbin.-clen. Diese zwei Sätze von Polen bilden die Kerne
der zwei Sätze Feldmagnete, welche in induktiver Beziehung einerseits zum Ständer,
anderseits zum Läufer stehen. Die Spulen 2o11`, tob' and 2o11" des Ständers sind
in derselben Richtung gewickelt, und hintereinander geschaltet.
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In gleicher Weise sind die Spulen 2i11', 21b', 2ie' des Läufers aber
umgekehrt zu den Spulen 2o°, 20b, 20c gewickelt und hintereinander geschaltet. Zwei
Paar Schleifringe 2od, 20- sowie 2id und 2ie sitzen auf der Muffe i9 und stehen
mit den betreffenden Sätzen der Feldmagnete in Verbindung. Die Stromquelle, welche
den Magnetisierungsstrom liefert, besteht bei derdargestelltenAusführungsform aus
einer Batterie 22 (Abb. i und 3) mit der die Schleifringe durch Bürsten 2of, Zog
oder 2if und Zig über Drähte 23, 24, 25, 26 verbunden sind.
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Die beiden Felder werden auf diese `''eise unabhängig voneinander
erregt. Um die relativen Feldstärken zu ändern, sind Widerstände 27 und 28 in den
- Feldstromkreisen vorgesehen, während zur Umkehrung der Richtung der beiden Magnetisierungsströme
ein Stromwender 29 in den einen der Stromkreise, z. B. in dem Stromkreis der auf
den Ständer wirkenden Magnete 2o eingeschlossen ist.
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Werden die Magnete 20 und 21 in gleicher Stärke entgegengesetzt erregt,
dann verlaufen die Kraftlinien jedes Poles durch die benachbarten Pole und die verbindenden
Teile des Ankers und Ständers. Angenommen, die Pole 2o wirken als Nordpole auf den
Ständer, so werden die Pole 21 als Südpole auf den Ständer induzieren. Die Kraftlinien
beispielsweise des Pols 2oc treten dann zum Ständer über, gehen dann durch die Pole
2ie und 2111 zum Läufer und kehren von dort zum Pol 2oc zurück.
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Wird der Strom in den Spulen 21 geschwächt, dann wird der Kraftlinienstrom
durch den Läufer verringert, während derjenige durch den Ständer nicht verändert
wird. Der Kraftlinienunterschied zwischen Ständer und Läufer verläuft dann durch
den Ring 17. Der Kraftlinienverlauf im Ständer bleibt dabei unberührt. Wird der
Strom in den Spulen 21 umgekehrt, dann bleiben die Kraftlinien im Ständer immer
noch die gleichen, aber die Jochteile des Ringes 17 nehtuen dann sowohl die Kraftlinienströme
des Ständers als auch die des Läufers auf. Es kann also entweder das Läufer- oder
Ständerfeld verändert oder umgekehrt werden, ohne daß beide sich gegenseitig nennenswert
beeinflussen.
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Die Läuferwicklung 8 ist eine Serienwicklung, die für sechs Pole gewickelt
ist. Der in dem Anker erzeugte Strom wird durch den Kommutator io zu den Ständerwickiungen
4 über die Bürsten 14, 15 und 16 geleitet. Diese Bürsten sind um i2o° elektrisch
gegeneinander verschoben, al°so@ so angeordnet, daß
durch sie die
Mehrphasenströme über den Tommutator beim Drehen des Feldelementes und Stillstand
des Läufers abgenommen werden können.
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Angenommen, die zu den einzelnen Phasen gehörigen Bürsten seien unter
Zwischenschaltung eines Widerstandes kurzgeschlossen und das Läuferfeld 2 1 im Anker
werde erregt und festgehalten, dann wird durch eine Drehung des Läufers in dessen
Wicklungen Strom erzeugt, der als Gleichstrom die Widerstände durchfliegt. Der Gesamtstrom
fließt durch die Bürste, die in der neutralen Zone mit Bezug auf die Pole 21 liegt.
Die anderen Bürsten werden auch Gleichstrom, aber von geringerer Intensität erhalten,
deren Wert von der Lage der Bürsten in bezug auf die neutrale Zone abhängt.
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Wenn der Anker zum Umlaufen kommt, -fließt durch die Bürsten zu den
Widerständen ein Mehrphasenwechselstrom.
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Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Bürsten mit der Ständerwicklung
verbunden und die von ihnen aufgenommenen Mehrphasenströme werden in diese Ständerwicklung
geleitet. Die Wicklung ist zweckmäßig für ebenso viele Pole als die Läuferwicklung
angeordnet und für so viele Phasen eingerichtet, als die von den Kommutatorbürsten
geführten Ströme besitzen.
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Bei dem veranschaulichten Beispiel ist die Ständerwicklung 4 dreiphasig;
die Spulen 46 (Abb.3), weiche durch volle Linien dargestellt sind, gehören zur ersten
Phase, die Spulen 4b (-. - - -) gehören zur zweiten Phase und die Spule 4c (- -
-) gehören zur dritten Phase.
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Die von den Bürsten abgenommenen Mehrphasenströme fließen durch die
Ständerwicklung und erzeugen ein Drehfeld von gleicher %`inkelgeschwindigkeit als
die des Ankers. Die Bürsten sind mit der Ständerwicklung so verbunden, daß der Kraftlinienstrom
des Ständers auf die Ständerpole des Ankers eine Zugkraft hervorruft, welche sich
zu derjenigen Zugkraft addiert, die aus der Reaktion zwischen den Läuferpolen des
Ankers und dem Läuferstrom hervorgeht.
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Das Feld des Ständerstromes liegt rechtwinklig zum Ständerfeld des
Ankers beim Stillstand des letzteren und dieses Lageverhältnis bleibt bei allen
Geschwindigkeiten des Ankers bestehen und hält die Zugkraft auf-.recht, solange
die E. M. K. des Läufers über die E. M. G. K. des Ständers vorherrscht. Der Drehsinn
des Ankers hängt von der Richtung der Stromresultante der beiden Felder ab. Wenn
die Zugkraft des Ständerfeldes der des Läuferfeldes entgegengesetzt ist, läuft der
Anker in umgekehrter Richtung als wenn die beiden Zugkräfte in gleicher Richtung
wirken, da die von der Ständerwicklung ausgehende Zugkraft wegen der größeren Zahl
Amperewindungen gegen die des Ankers vorherrscht.
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Die Energie, die für die Ständerwicklung beim Anlassen erforderlich
ist, um diese entgegengesetzten Zugkräfte zu erzeugen, braucht nur genügend groß
zu sein, um den Widerstand der Wicklung zu überwinden.
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Die Schaltung ist nun noch in folgender Weise verbessert (Abb.3).
Drei Kontakte Va, a, 31b und- 31c eines Doppelschalters stehen mit
drei Leitungen 14, i5', 16' in Verbindung, die an die Bürsten 14, 15, 16
abgeschlossen sind. Die Kontakte 3i6 und 31c ,wirken mit den Batteriekontakten 3i6'
und 31c' zusammen, und der Kontakt 3ib ist direkt an dem festen Kontakt 3151 der
Leitung 16' angeschlossen.
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Diese Schaltung wird benutzt, um die Maschine als Anlaßvorrichtung
zu verwenden. Beim Ingängsetzen der Maschine wird der Sehälter 31 so verstellt,
daß die Batteriekontakte geschlossen werden. Hierdurch wird die Leitung 16' bei
Kontakt 3ib' geöffnet und dadurch die Bürste 16 mit den Ständerspulen 4d außer Verbindung
gebracht. In dieser Stellung ist der Schalter in Abb. 3 dargestellt. Die Maschine
arbeitet nunmehr als Gleichstrommotor.
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Der Läufer und zwei Phasen der Ständerwicklung werden wie folgt erregt:
Von Batterie 22 über Leitung 32, feststehenden Kontakt 3t6', beweglichen Kontakt
31d zur Leitung i5', von wo aus der Strom sich teilt. Der eine Teil geht zur Bürste
15, von hier aus über die Wicklung zur Bürste 14 über Leitung i4', den beweglichen
Kontakt 31c, den feststehenden Kontakt 31c' und über die Leitung 33, 24 und z6 zurück
zur Batterie. Der andere Teil fließt über den anderen Teil der Leitung
15' über Spulen 4c, von hier aus über Spulen 4b und Leitung i4' in der geschilderten
Weise zurück zur Batterie.
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Nunmehr verstellt man den Widerstandskontakthebel 34 um einen Schritt
von der dargestellten offenen Lage aus nach rechts. Dadurch werden die Läuferfeldspulen
2i6', 2,b`-und 2ic', welche mit den Schleifringen 21d und 2ie verbunden sind, wie
folgt erregt: von der rechten Seite der Batterie 22 über Leitung 25; Widerstand
27, Leitung 25', Bürste 2it, Schleifring Zia, Spulen 2i, Schleifring zie, Bürste
Zig und über Leitung 26 zurück zur Batterie. Die Ständerfeldspulen 2o6', tob' und
2oc', welche mit den Schleifringen 2od und 20e verbunden sind, werden wie folgt
erregt: Von der Batterie 22 über Leitungen 25 und 23 zum Widerstand 28, dann weiter
über Leitung 23', Kontakte des Stromwenders a9 zur Leitung 24' über Bürste Zog zu
den
Schleifringen und Spulen, dann weiter .#.ur Bürste 2of und von hier aus über Leitung
2#3" über den Kontakt des Stromwenders 29 und über Leitung 24. zurück zur Batterie.
Durch diese Erregung nimmt der Anker sofort seine richtige Lage ein und sperrt sich
in bezug auf den Ständer. Durch die Erregung des Läufers wird dieser in Drehung
versetzt und wirft die Kraftmaschine an.
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Nachdem die Maschine angelassen ist, wird der Schalter 31 in die andere
Lage übergeführt, wodurch die Verbindung zwischen dem beweglichen Kontakt 3ib und
dem festen Kontakt 31b' hergestellt wird, während gleichzeitig die Batterie von
den Leitungen 1q.' und 15' abgeschaltet wird. Die drei Bürsten 14., 15 und 16 sind
jetzt mit den drei Phasen der Ständerwicklung verbunden und die Vorrichtung kann
jetzt zur Kraftübertragung mit Mehrphasenstrom verwendet werden.
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Zum Anlassen der Maschine als Kupplung wird zunächst der gesamte Widerstand
für die Spulen 2o (Ständer) ausgeschaltet, während der der Spulen 21 (Läufer) eingeschaltet
ist. Dies bewirkt der Hebel 3¢ in Stelking i.
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Die Drehung des Ankers erzeugt ein kleines Potential. Der Strom in
der Ständerwicklung, der durch dieses Potential veranlaßt wird, ist beträchtlich
`wegen des Fehlens jeder E. M. G. K. Der Strom in der Ständerwicklung wirkt mit
der vollen Kraft des starken Feldes der Spulen 2o und erzeugt eine erhebliche Zugkraft
auf den Anker.
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Der Läuferfeldwiderstand wird nun allmähsicb ausgeschaltet, indem
man den Hebel 34 schrittweise verschiebt, bis er seine mittlere Lage wieder erreicht.
Hier entfaltet das Feld der Spulen 2i die volle Zugkraft. Bei dieser Schalterlage
wird, wenn die Anzahl der im Läufer und Ständer hintereinander geschalteten Windungen
die gleiche ist, die E. M. G. K. der Ständerwicklung gleich E. M. K. des Läufers
sein. Der Anker läuft dann ungefähr mit der halben Geschwindigkeit des Läufers.
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Um das Geschwindigkeitsverhältnis i : 2 zu vergrößern, wird -der Hebel
34 weiter verstellt. Das Ankerfeld der Spulen 21 bleibt völlig erregt, während der
Widerstand 28 schrittweise in das Ständerfeld der Spulen 2o eingeschaltet wird.
Hat der Anker eine Geschwindigkeit erreicht, die derjenigen des Läufers so nahe
kommt, daß nur noch die erforderliche Schlüpfung gewahrt bleibt, dann werden die
Ständerwicklung und das Ständerfeld der Spulen 2o vollständig voneinander geir.ennt,
indem man den aiontakthebel 34. auf die Endstellung i i schiebt, Es ist zu erwähnen,
daß die Eisenverluste im Ständer auf diese Weise möglichst ausgeschaltet sind und
die einzigen Eisenverluste in der Maschine der geringen Läuferfrequenz zuzuschreiben
sind, die durch das Schlüpfen des -Feldes verursacht ist.
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Die dargestellte Ausführungsform hat auch den Vorteil, daß nur die
verhältnismäßig geringen Feldströme zu regeln sind. Weiter ist - noch darauf hinzuweisen,
daß durch die besondere Anordnung der Pole und Verbindungsjoche das ganze Feldelement
in einem Stück gegossen werden kann, und daß auch die Speichenscheibe 18 aus Stahl
zu bestehen vermag, weil sie nur solche Polflächen miteinander verbindet, die dieselbe
Polarität aufweisen,