DE364727C

DE364727C - Method for currentless interruption of the contact between the brush and the collector lamella of a direct current machine

Info

Publication number: DE364727C
Application number: DESCH45229D
Authority: DE
Original assignee: ARTHUR SCHERBIUS DR ING
Current assignee: ARTHUR SCHERBIUS DR ING
Priority date: 1913-11-02
Filing date: 1913-11-02
Publication date: 1922-12-02

Description

Verfahren zur stromlosen Unterbrechung des Kontaktes zwischen Bürste und Kollektor-. Lamelle einer Gleichstrommaschine. Für das einwandfreie Arbeiten von Gleichstrommaschinen spielt die Kommutation eine große Rolle.Procedure for the currentless interruption of the contact between the brush and collector. Lamella of a DC machine. For flawless work Commutation plays a major role in DC machines.

Gleitet die Bürste über eine Lamelle, so muß der Strom, welcher in der an die Lamelle angeschlossenen Spule vor der Berührung der Lamelle mit der Bürste eine bestimmte Richtung hatte, nach Ablauf der Bürste in umgekehrter Richtung in der Spule verlaufen.If the brush slides over a lamella, the current flowing in the coil connected to the lamella before it touches the lamella with the brush had a certain direction, after running the brush in the reverse direction run around the bobbin.

Diesen Kommutierungsvorgang unterstützt man, wie allgemein bekannt, dadurch, daß man die Spulen während des Bürstenkurzschlusses sich durch Felder bewegen läßt, welche in den Spulen Rotationsspannungen erzeugen, die die Stromwendung herbeiführen. -Diese Felder müssen gerade so groß bemessen sein, daß der von der Lamelle zur Bürste fließende Strom möglichst genau im Augenblick des Ablaufens der Bürste von der entsprechenden Lamelle durch Null geht. Ist der Strom entweder noch nicht Null geworden, oder fließt er schon in der entgegengesetzten Richtung, so tritt beim Ablauf der Bürstenkante ein Funke auf.As is generally known, this commutation process is supported by moving the coils through fields during the brush short circuit leaves, which generate rotational voltages in the coils that cause the current reversal. -These fields must be dimensioned just big enough that the one from the lamella to the brush flowing current as precisely as possible at the moment the brush runs off the corresponding Lamella goes through zero. Has the current either not yet become zero or is flowing? if it is already in the opposite direction, it occurs when the brush edge runs off a spark.

Es ist bekannt geworden, statt. eines Kollektors zwei zu verwenden, welche abwechselnd Lamellen und Isolierstücke tragen, die breiter als eine Bürstenbreite sind und in die Zuführungen zu den beiden Bürsten eines Pols elektrische Zellen zu schalten, um Kurzschlußströme zwischen Lamellen und Bürsten zu vermeiden. Wenn auch durch eine derartige Anordnung der Kurzschluß der in der Kommutierung befindlichen Spule in soweit begrenzt wird, als die Größe dieses Stromes nie die des Bürstenstromes überschreiten kann, so kann doch eine funkenlose Kommutierung durch eine derartige Anordnung nicht erreicht werden, denn die Stromverkleinerung auf Null muß beim Ablaufen der Bürste von ihrer Lamelle durch die beim Bürstenablauf stattfindenden Überdeckungsverkleinerung zwischen Bürsten und Lamelle, also durch Vergrößerung des Widerstandes, erreicht werden. Es ergibt sich daraus, daß der Bürstenablauf mit Funkenbildung verbunden sein muß, sobald es sich um etwas größere Leistungen handelt.It has become known instead. to use two of a collector, which alternately carry lamellas and insulating pieces that are wider than a brush width and in the feeds to the two brushes of a pole are electrical cells to switch in order to avoid short-circuit currents between the lamellas and the brushes. if also by such an arrangement the short-circuit of those in the commutation Coil is limited to the extent that the magnitude of this current is never that of the brush current can exceed, so can a sparkless commutation by such Arrangement cannot be achieved, because the current reduction to zero must when running the brush from its lamella due to the reduction in the overlap that takes place during the brush run-off between the brushes and the lamella, i.e. by increasing the resistance will. It follows that the brush drain is associated with sparking must be, as soon as it is a question of somewhat greater achievements.

Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, die Funkenbildung zu verhindern, indem neben der Verwendung von elektrischen Rückschlagventlen eine Kommutierungsspannung eingeführt wird, die nicht nur den Strom gerade zu Null macht in dem Augenblick der Unterbrechung des Kontaktes zwischen Klemme (Bürste) einerseits und dem jeweiligen Teil der Ankerwicklung (Lamelle) anderseits, sondern dadurch, daß der Strom schon etwas vor der Unterbrechung auf Null gebracht wird, so daß eine Stromkonzentration auf der ablaufenden Kante der Lamelle vermieden wird und außerdem eine stromlose Kontaktöffnung (Bürstenablaufes) unter allen Bedingungen ,erreicht wird. Bei einer normalen Kollektormaschine würde dies nicht möglich sein, da der vorzeitige Durchgang durch Null beim Ablauf der Bürste einen Strom in entgegengesetzter Richtung zur Folge haben würde, der ebenso einen Ablauf unter Funkenbildung zur Folge haben würde.The purpose of the present invention is to prevent sparking, by using a commutation voltage in addition to the use of electrical check valves is introduced, which not only makes the current zero at the moment the interruption of the contact between the terminal (brush) on the one hand and the respective Part of the armature winding (lamella) on the other hand, but because the current is already something is brought to zero before the interruption, so that a current concentration on the trailing edge of the lamella is avoided and also a currentless Contact opening (brush run-off) is achieved under all conditions. At a normal Collector machine this would not be possible because of the premature passage through zero when the brush expires a current in opposite Direction would result, which would also lead to a sparking process Would result.

An Hand der Abb. a bis 4. ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben.On the basis of Figs. A to 4. is an embodiment of the invention given.

Das Beispiel bezieht sich auf einen Gleichstrommotor. p seien die Pole dieses Motors, a seine Ankerwicklung. Die Ankerwicklung sei an zwei Kollektoren h1 und h. angeschlossen, welche Lamellen l und zwischen diesen breite Isolationszwischenstücke d tragen. Die einzelnen Spulen der Ankerwicklung seien mit ihren Enden je an die verschiedenen Lamellen beider Kollektoren angeschlossen, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Die Bürsten bi und b2, b3 und b., seien schmäler als die Isolierzwischenstücke d, so daß keine Bürste zwei Lamellen eines Kollektors kurzschließen kann. Der Kurzschluß einer Ankerwicklung kann nur gemeinsam über die beiden Bürsten und deren Verbindungsleitungen führen. In diese Verbindungsleitungen g,, g2, g, g4 seien elektrische Rückschlagventile v" V., z,? und v4 eingeschaltet, welche sowohl nach Art der Quecksilberdampfgleichrichter oder Aluminiumzellen oder irgendwelcher anderer Anordnungen gebaut sein können, die die Eigenschaft haben, den Strom in der einen Richtung durchzulassen, dagegen in der anderen zu unterdrücken. Der Kommutierungsvorgang ist in den vier Abbildungen, die die Maschine in den verschiedenen Phasen darstellen, zu erkennen. Die Rückschlagventile, in welchen Strom fließt, sind ausgefüllt gezeichnet. Wie man erkennt, fließt in Abb. i Strom nur in den Rückschlagventilen v2 und v4 und in den Bürsten b2 und b4, während die Bürsten bi und b2 und die Rückschlagventile v1 und v;; stromlos sind. Bei der Weiterdrehung des Ankers in Pfeilrichtung wird das durch Abb.2 dargestellte Kommutierungsstadium erreicht. Der Strom i in Spule h ist kleiner geworden, ebenso ist der Strom in g4 und v4 verkleinert worden. In g3 und v.. fließt ein Strom. In dem durch die Abb. 2 dargestellten Kommutierungsstadium bilden der Ankerwicklungsteil h, Bürste b3, Leitung g2, Ventil v3, Ventil v4, Leitung g4 und Bürste b4 einen geschlossenen Stromkreis am negativen Pol, ebenso k, bi, gi, vi, v2, g2 und b2 an dem positiven Pol.The example refers to a DC motor. Let p be the poles of this motor, a its armature winding. Let the armature winding be on two collectors h1 and h. connected, which lamellae l and between these carry wide insulating spacers d. The individual coils of the armature winding are said to have their ends connected to the various lamellas of both collectors, as shown in the drawing. The brushes bi and b2, b3 and b., Are narrower than the insulating spacers d, so that no brush can short-circuit two fins of a collector. The short circuit of an armature winding can only lead jointly via the two brushes and their connecting lines. In these connecting lines g ,, g2, g, g4 electrical check valves v "V., z,? And v4 are switched on, which can be built both in the manner of mercury vapor rectifiers or aluminum cells or any other arrangements that have the property of the current in The commutation process can be seen in the four figures that show the machine in the various phases. The check valves, in which current flows, are drawn in full Fig. I Current only in the check valves v2 and v4 and in the brushes b2 and b4, while the brushes bi and b2 and the check valves v1 and v ;; are de-energized. When the armature is rotated further in the direction of the arrow, that shown in Fig.2 The current i in coil h has decreased, as has the current in g4 and v4. A current flows in g3 and v .. . In the commutation stage shown in Fig. 2, the armature winding part h, brush b3, line g2, valve v3, valve v4, line g4 and brush b4 form a closed circuit at the negative pole, as well as k, bi, gi, vi, v2, g2 and b2 on the positive pole.

Der Inhalt der Erfindung besteht darin, die Umlagerung des Bürstenstromes von dem Ventil v4 und Bürste b4 auf das Ventil v3 und die Bürste b3 bzw. von v2, b2 auf vi, bi durch Einführung einer E. M. K. in den Stromkreis h, b3, 93, v3, v4, g4 und in den Stromkreis h, bi, g,,vi,v2,g2, b2 derart zu unterstützen und zu beschleunigen, daß der Strom in b4 und v4 bzw. in b,, und v. schon Null geworden ist, ehe die Bürsten b4 bzw. b2 vollkommen von ihren Lamellen abgelaufen sind, damit der Bürstenablauf unbedingt stromlos erfolgt, d. h. die Kommutations-E. M. K. muß so groß gewählt werden, daß die Stromwendung schneller erfolgt als das Vorbeilaufen einer Lamelle unter der Bürste. Abb. 3 zeigt die Kommutierung in dem Stadium, in welchem der Strom i schön auf die volle Ankerstromstärke in der neuen Richtung angewachsen ist. Der Strom in den Bürsten b4 und b, und den Ventilen v, und v1 ist Null geworden.The content of the invention consists in the rearrangement of the brush current from valve v4 and brush b4 to valve v3 and brush b3 or from v2, b2 to vi, bi by introducing an E.M.K. into the circuit h, b3, 93, v3, v4, to support and accelerate g4 and in the circuit h, bi, g ,, vi, v2, g2, b2, that the current in b4 and v4 or in b ,, and v. has already become zero before the brushes b4 and b2 have completely run off their slats, so that the brush drain must be done without power, d. H. the commutation E. M. K. must be chosen so large that the current reversal occurs faster than the passage of a slat under the brush. Fig. 3 shows the commutation in the stage in which the current i has grown nicely to the full armature current strength in the new direction. Of the Current in brushes b4 and b, and valves v, and v1 has become zero.

In dem durch die Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Spannung e (mit Doppelpfeil) zur Stromwendung des Stromes in der Ankerwicklung k durch das Hauptfeld erzeugt, unter welches die Bürsten verschoben werden. Man könnte die Kommutierungsspannung auch auf eine beliebige andere Weise innerhalb oder außerhalb der Maschine in irgendeinem Teil der Stromkreise 1a, b, g3, v3, v4, g4, b4 bzw. h, bi, gi, vi, V#, g2, b. erzeugen z. B. durch Hilfspole. Die Mittel zur Erzeugung dieser Spannung sind nicht Gegenstand des Patents. Wird die Spannung erfindungsgemäß so groß gemacht, daß der Strom vor Unterbrechung des Anschlusses zwischen Ankerwicklungsteil h (Lamelle) und Maschinenpol (Bürste) zu Null wird, so wirkt die Spannung noch weiter, auch wenn die Ströme in b4 bzw. b2 (Abb. 3) schon Null geworden sind. Wären nun die Ventile v4 und v2 nicht vorhanden, so würde vor dem vollständigen Bürstenablauf ein Strom in entgegengesetzter Richtung erzeugt, der im Augenblick des Ablaufs zu Funkenerscheinungen Veranlassung geben würde. Durch die Ventile v4 bzw. v3 wird ein solcher Strom aber an der Ausbildung gehindert. Der große Vorteil des Verfahrens liegt demgemäß darin, daß die Kommutierungsspannung nicht mit möglichster Annäherung einen bestimmten Wert haben muß, daß es vielmehr genügt, wenn sie groß genug ist,- und daß trotzdem der stromlose Bürstenablauf unbedingt gewährleistet ist. Der Übergang von Abb. 3 auf Abb. d. geschieht ohne Änderung der Stromverteilung in den vier Bürsten und Ventilen. Die Bürsten b4 und b2 führen vor Ablauf von den Lamellen keinen Strom mehr. Die Bürsten b2 und b4 rutschen ohne Funkenbildung auf den an dem Kollektor isolierten Teil hinüber, da sie keine Ströme mehr führen. Bei der Weiterdrehung erfolgt die Schaltung in einer der vorbeschriebenen ähnlichen Weise. Nach kurzer Zeit werden wieder die Rückschlagventile v2 und v4 vom Strom durchflossen und die Ströme in den Rückschlagventilen v. und v. unterbrochen usw. In den Abbildungen ist eine gerade Anzahl von Kollektorlamellen angegeben. Die Anzahl der Lamellen könnte man auch ungerade machen, in diesem Fall würden die Rückschlagventile auf beiden Polseiten nicht gleichzeitig Strom führen, vielmehr würden die Stromdurchgänge in denselben eine Phasenverschiebung gegeneinander aufweisen, was den Vorteil hätte, daß die erzeugte Rotations G. E. M. K. ,etwas geringere Schwankungen aufweisen würde.In the exemplary embodiment illustrated by the figures, the voltage e (with double arrow) for converting the current in the armature winding k is generated by the main field under which the brushes are moved. The commutation voltage could also be changed in any other way inside or outside the machine in any part of the circuits 1a, b, g3, v3, v4, g4, b4 or h, bi, gi, vi, V #, g2, b. generate z. B. by auxiliary poles. The means of generating this voltage are not the subject of the patent. If, according to the invention, the voltage is made so high that the current becomes zero before the connection between armature winding part h (lamella) and machine pole (brush) is interrupted, the voltage continues to act, even if the currents in b4 or b2 (Fig. 3 ) have already become zero. If the valves v4 and v2 were not present, a current would be generated in the opposite direction before the complete brush cycle, which would give rise to spark phenomena at the moment of the cycle. However, such a flow is prevented from developing by the valves v4 and v3. The great advantage of the method is accordingly that the commutation voltage does not have to have a certain value with the closest possible approximation, that it is rather sufficient if it is large enough - and that the currentless brush sequence is still guaranteed. The transition from Fig. 3 to Fig. D. happens without changing the power distribution in the four brushes and valves. The brushes b4 and b2 no longer carry any current before the lamellas run out. The brushes b2 and b4 slide over onto the part that is insulated from the collector without creating sparks, since they no longer carry any currents. As the rotation continues, the shift takes place in a manner similar to that described above. After a short time, the current flows through the check valves v2 and v4 again and the currents in the check valves v. and V. interrupted etc. An even number of collector lamellas is indicated in the figures. The number of lamellas could also be made odd, in this case the non-return valves on both pole sides would not conduct current at the same time, rather the current passages in them would show a phase shift from one another, which would have the advantage that the generated rotation GEMK would have slightly lower fluctuations would.

Gegenüber der Verwendung eines normalen Kollektors hat die Schaltung nicht unbedeutende Vorteile, welche in folgendem bestehen. Man kann die Kollektoren mit einer kleineren Anzahl von Segmenten ausführen als das bei normalen Kollektoren möglich ist, was aus folgender Überlegung hervorgeht. Man kann zwischen zwei _ Segmenten des normalen Kollektors eine gewisse Maximalspannung erzeugen. Die Spannungsgrenze wird einerseits gegeben durch diejenige Spannung, welche das Isoliermaterial mit Sicherheit noch nicht überschlagen kann, anderseits ist eie aber gegeben durch die Spannungsgrenze, bis zu welcher man noch ohne Funken kommutieren kann. Da man mit normalen Kommutationsmitteln nur einen bestimmten Prozentsatz der bei der Kommutierung auftretenden Reaktanzspannung kompensieren kann, so wird die Kommutierung naturgemäß um so schwieriger, j e größer die zwischen zwei Lamellen auftretende Reaktanzspannung ist. Es ist daher bei einem normalen Kollektor nicht ohne weiteres möglich, die Spannung zwischen zwei Lamellen durch Verstärken des Isoliermaterials beliebig zu vergrößern, denn wenn auch die verstärkte Isolierschicht die Ruhespannung ohne weiteres aushält, so würden doch die Fehlerspannungen, welche durch die besten Kommutationseinrichtungennicht mehr auszugleichen sind, derart bedeutend werden, daß der Kollektor zerstört würde. Wird daher die eigentliche Kommutierung "om Kollektor vollkommen weggenommen, so daß an diesem selbst nie eine Stromunterbrechung öder ein Stromschluß stattfindet, daß derselbe vielmehr nur Kontakte öffnet oder schließt, die strom- bzw. spannungslos sind, so kann man mit der Spannung zwischen zwei Bürsten pro cm Bürstenabstand weiter hinaufgehen, als das bei normalen Kollektoren möglich ist. Auch kann man mit wenigen Lamellen auskommen und dann zwischen zwei Lamellen beliebig hohe Spannungen erzeugen, falls man nur die zwischenliegende Isolationsschicht dick genug macht. Da man in der Breite der Lamellen weniger beschränkt ist, so kann man auch die Bürstenbreite vergrößern und von einem Kollektor so viel Strom abnehmen, wie es mit Rücksicht auf seine. kühlende Oberfläche zulässig ist, insbesondere werden hierdurch Hochspannungskollektoren gegenüber den bisherigen Ausführungen verkleinert. Das Verfahren läßt sich sowohl bei Motoren als auch bei Generatoren anwenden, auch ist es für ruhende Umformer zu gebrauchen dadurch, daß man die Kollektoren still setzt und die Bürsten umlaufen läßt, was bei der Breite der Bürsten und der Verbesserung des Kollektors mit Rücksicht auf die Kommutierung weit eher möglich -erscheint als bei normalen Kollektoren. An der Hand der Abbildung war ein -Kommutator angegeben, welcher in seinem Aufbau ähnlich den normalen Kollektoren ist.Compared to the use of a normal collector, the circuit has not insignificant advantages, which consist in the following. You can use the collectors with a smaller number of segments than with normal collectors is possible, which emerges from the following consideration. You can choose between two _ segments of the normal collector generate a certain maximum voltage. The voltage limit is given on the one hand by the voltage that the insulating material with Security cannot yet be overturned, but on the other hand it is given by the Voltage limit up to which one can still commutate without sparks. Since you with normal commutation means only a certain percentage of the commutation Can compensate for the reactance voltage occurring, the commutation is natural the more difficult, the greater the reactance voltage occurring between two lamellas is. It is therefore not easily possible with a normal collector that Tension between two lamellas increases as required by reinforcing the insulating material increase, because even if the reinforced insulating layer, the open-circuit voltage easily endures, the fault voltages, which are not caused by the best commutation devices have to be compensated for, become so significant that the collector would be destroyed. If the actual commutation is therefore completely removed from the collector, so that there is never a power interruption or a power short on this itself, that the same rather only opens or closes contacts that are de-energized or de-energized you can continue with the tension between two brushes per cm of brush spacing go up than is possible with normal collectors. Even with a few Lamellas and then generate any high tension between two lamellas, if only the intermediate insulation layer is made thick enough. Since you are in the width of the slats is less limited, so you can also adjust the brush width and draw as much current from a collector as you can with consideration on his. cooling surface is permissible, in particular this will make high-voltage collectors reduced in size compared to the previous versions. The procedure can be used both Apply to motors as well as generators, it is also used for static converters to use by the fact that the collectors are stopped and the brushes rotate lets what with the width of the brushes and the improvement of the collector with consideration on commutation appears to be far more possible than with normal collectors. A commutator was indicated on the hand of the illustration, which in its structure is similar to normal collectors.

Bei normalen Kollektoren sind die Anker-Wicklungen direkt an die Fahnen der Kollektorlamellen angelötet. Da bei der vorliegenden Erfindung die Anzahl der Kollektorlamellen gering ist, so könnte man die Ankerwicklung in den Stator verlegen und den Feldmagneten umlaufen lassen und mit dem Feldmagneten synchron den Kollektor antreiben, wobei an dem Kollektor eine Reihe von Schleifringen angebracht sein müßte, denen durch Schleifbürsten der von der Ankerwicklung kommende Strom zugeführt würde: Man hätte in diesem Fall den Vorteil, daß die Hochspannungswicklungen ruhen und der Hochspannungskollektor einen unabhängigen Teil bildet.With normal collectors, the armature windings are directly on the flags the collector lamellas soldered on. Since in the present invention, the number of Collector lamellas is low, you could move the armature winding into the stator and let the field magnet rotate and synchronize the collector with the field magnet drive, whereby a series of slip rings would have to be attached to the collector, to which the current coming from the armature winding would be fed by grinding brushes: In this case you would have the advantage that the high-voltage windings are at rest and the high voltage collector forms an independent part.

Claims

PATENT-ANS.PRUCH: Method for currentless interruption of the contact between the brush and the collector lamella of a DC machine for the purpose of current commutation, characterized in that the current in the armature winding connection before disconnection is carried out through inside or outside the armature winding (in the circuit h , b4, g4, v4, v3, g3, b3 or h, b2, 921 v2, v, g, b,) acting electromotive forces is brought to zero, and that the generation of a current in the opposite direction through this voltage by means of a electrical check valve switched on in the circuit is prevented.