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Anordnung zur funkenfreien Kommutierung bei Kollektormaschinen mit
zwei auf einem gemeinsamen Ankerkern liegenden Ankerwicklungen. Gegenstand der Erfindung
ist eine Anordnung, um bei Kollektormaschinen mit zwei auf einem gemeinsamen Ankerkern
liegenden Ankerwicklungen eine vollkommene Kommutierung ohne Funken und ohne Energieverluste
herbeizuführen. Zu dem Zweck sind entsprechende Wicklungsabschnitte der beiden in
elektrischer Hinsicht völlig gleichartigen Ankerwicklungen. etwas gegeneinander
versetzt und so mit den Kollektorstegen verbunden, daß, wenn ein Abschnitt der einen
Wicklung aus dem vorübergehend kurzgeschlossenen Stromkreis, der von zwei benachbarten
Kollektorstegen und einer diese bestreichenden Bürste gebildet wird, austritt, und
der Strom in ihm seine Stärke und Richtung wechselt, die hierbei auftretende Kraftlinienänderung
in dem entsprechenden und dazugehörenden Abschnitt der anderen Wicklung, der in
gleicher Zeit über zwei Kollektorstege und eine Bürste kurzgeschlossen und mit dem
zuerst erwähnten Wicklungsabschnitt magnetisch verbunden wird, eine elektromotorische
Kraft induziert, die die Selbstinduktion des ersten Wicklungsabschnittes aufhebt.
Die beiden Ankerwicklungen können nun entweder in gleichem oder in entgegengesetztem
Sinne gewickelt und je an einen besonderen Kollektor angeschlossen werden, wobei
deren Bürsten entweder parallel oder in Reihe geschaltet werden. Ferner werden die
Stege zweckmäßigerweise um den Winkel (wobei N = Anzahl der Kollektorstege ist)
versetzt angeordnet. Außerdem kann die Anordnung getroffen werden, daß die beiden
Ankerwicklungen entgegengesetzt gewickelt und die miteinander sich koppelnden Wicklungsabschnitte
derselben an um i 8o elektrische Grade versetzte Stege eines gemeinsamen
Kollektors
angeschlossen sind. Endlich können die Anschlüsse der Wicklungsabschnitte der einen
Wicklung erfindungsgemäß in den Mitten der entsprechenden Wicklungsabschnitte der
anderen Wicklung liegen.
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Abb. i veranschaulicht schematisch das der Erfindung zugrunde liegende
Schaltverfahren, Abb. z eine zur Verwirklichung der Erfindung geeignete Ankerwicklung,
Abb.3 eine etwas abgeänderte Ankerwicklung und Abb. q. eine Ausführungsmöglichkeit
des Ankers mit einem Kollektor b für 18 Stege. In Abb. i ist ein Anker wiedergegeben.
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N und S sind die Magnetpole, zwischen denen der Anker in Richtung
des eingezeichneten Pfeiles umläuft. Von der Ankerwicklung sind nun zwei Wicklungsabschnitte
p1 und p9 dargestellt, die sich in Kommutierung befinden und durch die Bürsten B
kurzgeschlossene sind. Die Wicklungsabschnitte p1 und p9 stehen in magnetischer
Kopplung mit um 18o elektrische Grade gegeneinander versetzten, Hilfswicklungen
hl und h9, deren Schaltung aus dem unter der Abbildung stehenden Schema ersichtlich
ist, wobei die Pfeile s und t die Richtung jener elektromotorischen Kräfte angeben,
welche in der der Kommutierung vorhergehenden Zone durch Bewegungsinduktion induziert
werden.
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Konstruktiv einfachere Anordnungen, welche praktisch und wirtschaftlich
sind, und welche das Problem der vollkommenen Kommutierung bei hoher Maschinenleistung
und ohne Funkenbildung, jedoch stets auf Grund des beschriebenen Verfahrens lösen,
und bei welchen die Steganzahl des Kollektors im Gegensatz zu dem Schema unter Abb.
i eine beliebige sein kann, werden nachstehend gegeben.
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Die Ankerwicklung wird gemäß Abb. a, welche als Beispiel einen Grammeschen
Ring zeigt, statt aus einer einzigen fortlaufenden Wicklung aus zwei Wicklungen
d und e gebildet, von denen jede einzelne für Gleichstrom, aber übereinander angeordnet
und voneinander getrennt und in derselben Richtung gewickelt ist.
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Die beiden Wicklungen liegen an zwei verschiedenen Kollektoren b1
und b., jedoch so, daß die Stege cl des einen Kollektors b1 in Bezug auf die Stege
c, des anderen Kollektors b. um einen Winkel u - verdreht sind, wobei N die Anzahl.
der Stege
jedes Kollektors darstellt. Demgemäß sind auch die entsprechenden Kollektorverbindungen
der zwei Wicklungen auf dem Umfang des Ankers in Winkelabständen angeordnet, die
gleich
sind. Die Bürsten B'1, B'1 des einen Kollektors b1 sind in gleicher Anzahl und in
gleichen Abständen bzw. Winkelabmessungen ', angeordnet wie die Bürsten B'2,
B'
des anderen Kollektors b , wobei die Bürsten beider Kollektoren gleicher
Polarität und gleicher Spannung parallel geschaltet und alle der Kommutierungszone
gehalten werden.
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Nimmt nan .an, daß die Kontaktoberflächen der Bürsten auf dem Kollektor
gleich der äußeren Steges seien, eine Einschränkung, die nur aus dem Grunde angeführt
wird, um die Klarheit der Erläuterung zu fördern, aber bei der praktischen Ausführung
nicht notwendig ist, so wird während der Kommutierung eines Wicklungsabschnittes
eine der beiden Wicklungen d, e immer ein Wicklungsabschnitt, welcher an
zwei benachbarten Stegen des Kollektors liegt, an diesen Stegen selbst durch .die
entsprechende Bürste kurzgeschlossen, wobei stets Anzahl der in diesem Zustande
befindlichen Wicklungsabschnitte gleich der Anzahl der Bürsten des Kollektors ist.
Hieraus folgt, daß die Änderungen des Kraftflusses, die von dem raschen Wechsel
der Stromrichtung in einem beliebigen Wicklungsabschnitt der einen Wicklung herrühren,
welcher aus dem Kurzschluß herausgeht, sich im Augenblick der Koinmutierung durch
magnetische Kopplung vollkommen einen der anderen, teilweise darüber angeordneten
Wicklung übertragen, welcher im gleichen Augenblick über zwei Stege des Kollektors
und eine Bürste kurzgeschlossen ist, und welcher sich infolgedessen mit Bezug auf
den in Kommutierung befindlichen Wicklungsabschnitt so verhält, wie die kurzgeschlossene
Sekundärspule eines Transformators zur Primärspule, wenn diese einer Stromänderung
unterworfen wird, und zwar sowohl in Bezug auf die Richtung als auch in Bezug auf
die Stärke des Stromes. Der kurzgeschlossene Wicklungsabschnitt hebt daher die Selbstinduktion
des in Kommuterung befindlichen Wicklungsabschnittes auf und verhütet infolgedessen
jede Funkenbildung zwischen Bürste und Kollektorsteg. Hierbei gilt allerdings die
Voraussetzung, da13 in der Gegend, wo die Kommutierung erfolgt, die elektromotorische
Kraft, die von der Rotation induziert wird, genügend klein ist, was gerade dann
eintritt, wenn sich die Bürsten in .der neutralen Zone befinden.
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In der Praxis wird man beide Kollektoren, b1 und b gleich groß und
symmetrisch zum Anker anordnen. In Abb. 2 ist der Kollektor b2 außerhalb des Ankers
nur aus Deutlichkeitsrücksichten dargestellt. Das gleiche gilt für die Bürsten B1
un.d B2, die dann einander gleich und so breit wie ein
Steg werden.
Die rechts und links liegenden Bürsten Bi, B., bzw. B'1, B'2 «:erden parallel geschaltet
und können gegebenenfalls durch eine einzige Bürste ersetzt werden.
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Sobald der Wicklungsabschnitt i der Wicklung e aus dem Kurzschluß,
welcher von den Lamellen 2'-1' und der BürsteB'.. gebildet wird, herausgeht, wird
der Wicklungsabschnitt f der Wicklung d durch die Stege i und 12 und die
Bürste B'1 kurzgeschlossen, wobei dieser Kurzschluß erst wieder unterbrochen wird
(vorausgesetzt, daß der Anker immer im Sinne der Pfeilrichtung läuft), wenn bereits
der ZVicklungsab.schnitt h der Wicklung e durch die Stege i' und 12' und Bürste
B'2 kurzgeschlossen ist. Infolgedessen wird, da die Wicklung h zur Hälfte über der
Wicklung f liegt, die ganze Änderung des Kraftflusses, die von der Kommutierung
dieser zuletzt genannten Wicklung herrührt, abgekoppelt. Ein ähnlicher Vorgang tritt
zugleich in den Wicklungen .ein, die sich in Kommutierung unter den beiden anderen
Bürsten befinden. Die Folge davon ist die Aufhebung der Selbstinduktion in den Wicklungsabschnitten
des Ankers, die sich gerade in Kommutierung befinden.
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Die Anzahl der Wicklungsabschnitte des Ankers kann eine beliebige
sein. Nichts steht ferner im Wege, daß bei. der Ausführung der Einrichtung gemäß
Abb. 2 die beiden Kollektoren, anstatt, daß sie im Winkel spondieren.
versetzt werden, völlig miteinander korre-Die Bewicklung des Ankers mit zwei Spulen
in gleicher Richtung und die sich hieraus ergebende Verwendung von zwei Kollektoren
kann vorteilhaft sein bei Kollektormaschinen mit sehr hoher Spannung und großer
Stromstärke. jedoch kann man die Anordnung des doppelten Kollektors vermeiden, ohne
auf die Vorteile zu verzichten, die durch: die doppelte Wicklung geboten werden,
indem man die nachstehend beschriebenen Abänderungen an der eben erläuterten Einrichtung
vornimmt.
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Im Falle eines einzigen Kollektors bringt man die beiden Wicklungen
zwar ebenfalls gesondert, jedoch in entgegengesetztem Wickelsinn auf dein Anker
an.
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Die Verbindung der beiden Wicklungen mit den Stegen des Kollektors,
welcher in diesem Falle ganz allein vorhanden ist, kann man dann wie bei den gewöhnlichen
Gleichstromankern durchführen.
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In solchem Falle werden die miteinander sich koppelnden Wicklungsabschnitte
der beiden entgegengesetzt gewickelten Ankerwicklungen an um i8o elektrische Grade
versetzte Stege des gemeinsamen Kollektors angeschlossen. Wenn N die Anzahl der
Stege des Kollektors ist, so folgt daraus, daß die Kollektorverbindungen der ersten
icklung gegenüber denjenigen der zweiten Wicklung um den Winkel
versetzt sind.
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d
Wicklung e e e e 13
13
aus e die der beschriebenen
Wellenwicklung, Wick-In Abb. 3 ist ein zweipoliger Ringanker gezeigt, der aus dreizehn
Wicklungsbeträgen zusammengesetzt ist. Die Wicklung e (punktiert) ist entgegengesetzt
zur Wicklung (ausgezogen) gewickelt. Der Wicklungsabschnitt e1 der liegt mit seinen
Enden an den gegen.üb rb findlichen Stegen 7 und 6 des Kollektors b, an welche auch
die Enden desWicklungsabschnittsdz der Wicklung d angeschlossen sind. Da die Enden
dieser beiden Wicklungsbeträge ei und immer symmetrisch zur Achse der Magnetpole
liegen, so können zwischen den beiden Wicklungsbeträgen keine Kurzschlußströme auftreten.
In ähnlichem Zustande befinden sich der Wicklungsbetrag s, welcher an den Stegen
und 1 liegt, .sowie der Wicklungsbetrag dl, welcher gleichfalls an den Stegen 13
und 1 des Kollektors liegt.
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Sobald der Wicklungsbetrag dl aus dem Kurzschlußstromkreis, der von
den Stegen 12, und der Bürste BI gebildet wurde, heraustritt, geht auch der Abschnitt
es demselben heraus. Die Schwankungen des Kraftflusses, welche von den Änderungen
des Stromes in besagten Abschnitten herrühren, verketten sich mit den Wicklungsabschxütten
t und d7, welche über Stege 7, 6 und die Bürste B2 gerade kurzgeschlossen sind.
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Sobald diese Wicklungsabschnitte ihrerseits wieder den so gebildeten
Kurzschluß verlassen, verkettet sich die Kraftflußschwankung mit den Abschnitten
d13 und e7, welche im Kurzschluß mit den Stegen 12-13 und Bürste Bi sich befinden
usf. Wohlverstanden befinden sich die beiden Bürsten in der neutralen Zone.
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Die bisher zwei Ausführungsformen mit zwei oder mit einem Kollektor
können ohne weiteres angewendet werden bei einem Trommelanker, wobei der Typ der
Wicklung ein beliebiger sein kann, also Serienwicklung, @ Parallelwicklung, Serienparallelwicklung,
Zickzackwicklung, zweipolige Wicklung, mehrpolige usw. In der besonderen Ausführungsform
der Anordnung mit zwei Kollektoren, von denen einer in Bezug auf den andern um einen
Winkel verdreht ist, und bei welcher nur einziger
Wicklungsabschnitt in jeder Nut liegt, sowie die erste Ankerwicklung wie für einen
gewöhnlichen Gleichstromanker ausgeführt
ist. muß man die zweite
Wicklung in demselben Wicklungssinn über der ersten anordnen.
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Die Anschlüsse dieser zweiten gesonderten und davon geschiedenen Wicklung
an den zugehörigen Kollektor werden von denjenigen der anderen Wicklung an den dieser
zugehörigen Kollektor elektrisch immer um einen Winkel getrennt. Zählt man von den
Anschlüssen
der ersten Wicklung als erstes Element den Leiter, welcher gerade in der neutralen
Zone liegt, so befindet sich derselbe gerade in der Mitte des korrespondierenden
Wicklungsabschnittes der zweiten Wicklung, so daß der ganze Induktorkraftfluß, welcher
einen -\Vicklungsbetrag einer der beiden Wicklungen durchquert - mit Ausnahme der
magnetischen Verluste -, sich vollkommen mit zwei Wicklungsbeträgen der anderen
Wicklung verkettet. Auf diese Weise wird erreicht, daß immer ein Wicklungsabschnitt
einer Wicklung sich während der Kommutierung in Kurzschluß befindet, sobald ein
Wicklungsabschnitt der anderen Wicklung aus dem Kurzschluß heraustritt, derart,
daß die ganze Änderung des Kraftflusses, die von der Änderung des Stromes in diesem
letzteren Wicklungsabschnitt infolge der Wirkung der Kommutierung herrührt, sich
gänzlich mit der ersteren verkettet.
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In Abb. 4 sei angenommen, daß die nützliche Seite jedes Wicklungsabschnittes
einer Wicklung in einer einzigen Ankernut n angeordnet ist und aus sechs Leitern
m gebildet ist. In der Abbildung sind drei aufein- . anderfolgende Nuten von rechteckigem
Profil dargestellt, von denen jede zwei Wicklungen tt und o enthält. Die Wicklung
n entspricht dabei der ZVicklung d und e der Wicklung o. Alles, was mit Bezug auf
die Wicklungsbeträge d und e der Abb. a im Augenblick der Kommutierung
gesagt worden ist, kann hier wiederholt werden.
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Im Falle eines einzigen Kollektors müssen die Ankerwicklungen in den
Nuten wie bei der Anordnung von zwei Kollektoren angebracht werden, aber die Wicklungsrichtung
der einen muß entgegengesetzt der Wicklungsrichtung der anderen sein. Ferner müssen
die äußersten Enden der Wicklungsabschnitte jeder Wicklung an den Stegen des Kollektors
liegen, welchen die äußersten Enden der Wicklungsabschnitte der anderen Wicklung
von gleicher Polarität und gleichem Potential gegenüberliegen, was man mit denselben
Begrenzungen machen kann, die im Falle eines Ringankers mit Bezug auf Abb. 3 dargelegt
worden sind.