DE44879C - Anordnung der Feldmagnete bei elektrischen Maschinen - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf Elektromotoren, kann aber auch auf dynamoelektrische oder magnetoelektrische Maschinen angewendet werden. Ihr Zweck ist, die gröfste Wirksamkeit mit dem geringsten Gewicht im kleinsten Raum zu vereinigen.

Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf Motoren oder Elektricitätserzeuger jener Klasse, in der eine ringförmige Armatur verwendet wird, die mit Spulen umwickelt ist, welche so verbunden sind, dafs zwei oder mehr entgegengesetzt magnetische Pole an verschiedenen Punkten des Ringes erzeugt werden, in Verbindung mit einem Feldmagneten, dessen gegenüberstehende Pole mit den Polen in der Armatur correspondiren. Armaturen dieser Art sind als Gramme- oder Pacinotti - Ringärmaturen bekannt. Sie können so gewickelt - sein, dafs nur zwei Pole an sich diametral gegenüberliegenden Punkten oder zwei oder mehr Paare von Polen erzeugt werden, wobei die auf einander folgenden Pole abwechselnd entgegengesetzte Polaritäten besitzen.

Damit die Erfindung deutlich verstanden werde, soll sie zuerst, mit den bisher zur Verwendung gekommenen Constructionstypen verglichen werden, wobei auf die schematische Darstellung in Fig. 1 bis 5, welche die magnetischen Elemente für sich allein ohne Drahtbewickelung zeigt, Bezug genommen wird.

Es ist wohl bekannt, dafs in einem Dynamooder Elektromotor der magnetische Strom aus zwei Theilen besteht, von denen der eine im Feldmagneten, der andere in der Armatur enthalten ist. In diesem herrscht der als »Magnetismus« bekannte Kraftzustand, der sich längs gewisser Linien, den »Kraftlinien«, entwickelt. Diese Linien erstrecken sich durch das Eisen des Stromkreises und strömen über die Spalte oder den Zwischenraum, welcher aus technischen Gründen zwischen dem Feldmagneten und der Armatur gelassen ist.

Fig. ι zeigt den gewöhnlichen Typus eines Dynamo - oder Elektromotors. A ist die Armatur und F der Feldmagnet. Die punktirten Linien stellen annähernd die Richtung der Kraftlinien dar. Angenommen, dafs die Armatur durch einen durch ihre Spulen (die nicht gezeichnet sind) gehenden Strom erregt ist, so bringt er an entgegengesetzten Seiten Pole hervor, und die von diesen Polen ausgehenden Kraftlinien werden durch den Feldmagneten F verbunden. Diese Construction bringt es mit sich, dafs der Feldmagnet viel schwerer und massenhafter ist als die Armatur, was, obschon es bei einer Dynamomaschine nicht tadelnswerth ist, für einen Elektromotor unerwünscht ist. In Elektromotoren wird die gröfste Wirkung für ein gewisses Gewicht durch gleiche Theilung desselben zwischen Armatur und Feldmagnet erreicht.

Fig. 2 und 3 stellen einen bekannten Typus des Elektromotors dar. Die Ringarmatur A ist von grofsem Durchmesser und der Feldmagnet F ist innerhalb derselben, quer von einer Seite zur anderen gehend, Fig. 2, angebracht, so dafs er ganz innerhalb der Armatur liegt, Fig. 3. Diese Construction hat den Nachtheil, dafs der Feldmagnet, der nur '/₃ des Gewichtes der Armatur besitzt, zu klein ist, und dafs der Polbogen des Feldmagneten zu grofs wird.

In beiden Constructionen kann die Armatur oder der Feldmagnet rotiren. Gewöhnlich läfst man den leichteren Theil sich bewegen, so dafs in Fig. ι die Armatur, in Fig. 2 und 3 der Feldmagnet rotirt.

Fig. 4 und 5 stellen die Erfindung in ihren Grundzügen schematisch dar. Fig. 4 ist eine Vorderansicht, Fig. 5 ein axialer Verticalschnitt in der Linie N-S.

A ist die Ringarmatur des Gramm e-Typus und F der Feldmagnet. Der magnetische Stromkreis der Armatur wird durch den durch die Armatur von einer Seite zur anderen durchgehenden Feldmagneten geschlossen, der dadurch die Ebene der Armatur kreuzt. Auf diese Weise ist der Feldmagnet weder ganz aufserhalb der Armatur, wie in Fig. 1, noch ganz innerhalb derselben, wie in Fig. 2 und 3, sondern theils aufserhalb, theils innerhalb angebracht. Der mittlere Theil des Feldmagneten geht, und zwar vortheilhafterweise, parallel zur Achse der Rotation χ χ durch die Mitte der Armatur. Jedes Ende des Feldmagneten erstreckt sich von da radial und endet bei a a nahe der Armatur und einem ihrer Pole. Auf diese Weise kommen die entgegengesetzten Pole des Feldmagneten auf entgegengesetzte Seiten der Fläche der Armatur.

Fig. 6 ist ein der Fig. 5 entsprechender Schnitt. Sie zeigt die Spulen und elektrischen Verbindungen einer sehr einfachen Form des Elektromotors. Die Ringarmatur A ist mit Spulen bewickelt wie ein Gräm me-Ring und auf der Grundplatte B befestigt. Innerhalb derselben ist eine feststehende Drahtspule E angeordnet, die den Feldmagneten F erregt. Die Nabe b des Feldmagneten wird von dieser Spule so umgeben, dafs sie sich frei in der Spule drehen kann. Der Feldmagnet F sitzt fest auf der sich in Lagern der Gestellwände D D drehenden Welle C.

Da die Armatur stillsteht und der Feldmagnet rotirt, so wird es nothwendig, den Commutator mit festen Segmenten und rotirenden Bürsten herzustellen. Die Segmente e e sind isolirt an den Vorderrahmen D befestigt. Leitungsdrähte d d gehen von ihnen zwischen die auf einander folgenden Armaturspulen c c. Die diametral gegenüberstehenden Bürsten ff¹, welche auf den Commutatorsegmenten e schleifen, werden von den von einander isolirten und auf der Welle c befestigten Armen g g¹ getragen. Der Arm g ist mit der Schleiffeder h, der Arm g' mit der h ⁱ verbunden. Feststehende Conductoren i i\ an denen die Schleiffedern h h^} sitzen, verbinden sie mit dem äufseren Stromkreise. Die Feldmagnetspule E kann mit diesem Stromkreise auf Spannung oder auf Quantität oder in einen besonderen Stromkreis oder sonstwie geschaltet werden.

Wenn als Elektromotor gebraucht, magnetisirt der Durchgang eines Stromes durch die Spule E den Feldmagneten F. Der Durchgang des Stromes durch die Armaturspulen c c erzeugt diametral gegenüberliegende Süd- und Nordpole in der Armatur in Punkten, die ein wenig vorwärts vor den entsprechenden Nord- und Südpolen des Feldmagneten liegen. Daher werden die Feldmagnetpole gegen die Pole in der Armatur angezogen und nähern sich denselben, während sie zugleich die CommutatorbUrsten drehen, wodurch die Pole in der Armatur nach vorwärts verschoben werden und so die Rotation hervorgebracht wird.

Wenn als. dynamoelektrische Maschine gebraucht, wird der Feldmagnet gedreht und ruft elektrische Ströme in den Armaturspulen hervor. Diese Ströme werden durch den Commutator in gewöhnlicher Weise gesammelt und gleichgerichtet.

In der Praxis ist es wünschenswerth, die Anzahl der magnetischen Pole zu vergröfsern, um die Pole in der Ringarmatur enger zusammen zu bringen, wie dies bei Flachringdynamos geschieht. In Fig. 7 und 8 ist eine Construction dargestellt, in der vier Pole angewendet werden. Gleichnamige Pole stehen diametral gegenüber, entgegengesetzte 9ο° von diesen entfernt.

Fig. 7 ist ein axialer Verticalschnitt, Fig. 8 eine Vorderansicht. Der Feldmagnet F besteht aus der Nabe b und Armen aa, die radial sich von beiden Enden erstrecken und auf beiden Seiten dicht an die Armatur kommen. Die beiden Nordpole sind auf einer Seite der Armatur, die beiden Südpole auf der anderen. Die Pole sind auf beiden Enden um 90° gegen einander versetzt. Auf diese Weise entstehen vier verschiedene Kraftfelder, indem die Kraftlinien von jedem Nordpol durch die Armatur in beiden Richtungen nach den zwei Südpolen gehen. In Fig. 8 zeigen die Pfeile den Weg der Kraftlinien für einen der vier Stromkreise.

In der Fig. 9 ist eine Abwickelung der Armatur- und Feldmagnetpole in eine Ebene schematisch dargestellt. Die punktirten Linien zeigen die Kraftlinien, wie sie von den zwei Nordpolen auf einer Seite der Armatur nach den zwei Südpolen auf der anderen gehen. Aus der abwechselnden Anordnung der Pole NSNS auf entgegengesetzten Seiten der Armatur und der felderregenden Spule E innerhalb der Armatur folgt, dafs der Weg des geringsten Widerstandes für die Kraftlinien durch den Armaturkern geht, weil die Reaction des Stromes in der Spule E sie hindert, quer über die Innenseite der Armatur zu gehen, und weil der grofse Widerstand der Luft ihnen nicht erlaubt, um die Aufsenseite der Armatur herum abzuschweifen.

Denkt man sich die Armatur durch eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse und durch ihre Mitte gehend geschnitten, so ist klar, dafs die Hälfte nach den Nordpolen hin eine Anzahl von Polaritäten zeigt, deren Summe eine beträchtliche Südpolarität ergiebt, während die Hälfte nach den Südpolen hin beträchtliche Nordpolarität ergiebt. Auf diese Art wechseln die Polarvorsprünge des Armaturkerns auf der einen Seite zwischen einem beinahe neutralen Zustande und einer gröfsten Nordpolarität^, während die auf der anderen Seite es zwischen neutralem Zustande und gröfster Südpolarität thun. Es giebt also in keinem Theil des Armaturkernes einen Uebergang von einem Aeufsersten der Polarität zu dem entgegengesetzten Aeufsersten, wie dies in den Armaturen der bisherigen Dynamos der Fall ist. Die vorliegende Construction, ergiebt daher geringeren magnetischen Widerstand und weniger Erhitzung.

In Fig. ι ο bis 16 ist ein vollständiger und praktischer Elektromotor, bei dem die vor-" liegende Erfindung die Grundlage bildet, dargestellt.

Fig. io ist eine Vorderansicht,

Fig. 11 eine Seitenansicht,

Fig. i2 ein axialer Verticalschnitt nach 12-12 der Fig. 10,

Fig. 13 eine Vorderansicht des Feldmagneten allein,

Fig. 14 ein Theil eines Schnittes nach 14-14 in Fig. 10 und 15,

Fig. 15 ein Theil einer Vorderansicht und ihres Schnittes nach 15-15 in Fig. 14,

Fig. 16 eine Hinteransicht der Handhabe.

Die Flachringarmatur A besitzt Gramme-Wickelung und steht still. Sie hat vier Pole. Der Feldmagnet F hat ebenfalls vier Pole und ' rotirt.

Auf der Fundamentplatte stehen zwei Gestellwände D, die auch Lager für die Welle C tragen. Die kurze cylindrische Nabe b des Feldmagneten F ist durch Setzschrauben oder sonstwie auf der Welle C befestigt. Gegen die flachen Enden der Nabe sind die um 90⁰ versetzten Kreuzarme λ α¹ angeschraubt, Fig. 12 und 13. An den Enden der Arme sind die Polschuhe ρ ρ angebracht, welche an die entgegengesetzten Seiten der Armatur nahe herantreten.

Die Armatur A hat einen ringförmigen Kern_/ von weichem Eisen, das, um Foucault-Ströme zu vermeiden, bandförmig sein sollte, Fig. 12, in Spiralwindungen (wie eine Uhrfeder) mit zwischengelegtem Isolirmaterial. Die Spulen c c sind sonst in bekannter Weise gewickelt. In die winkligen Zwischenräume zwischen den Spulen sind keilförmige Stücke k k, Fig. 17 oder 18, eingesetzt, welche die Polschuhe oder Polarvorsprünge des Armaturkernes bilden.

Die Feldmagnetspule E ist innerhalb der Ringarmatur gewickelt, Fig. 12. Sie ist an der Armatur befestigt und wird von ihr getragen. Zwei Scheiben II sind an ihren gegenüberliegenden Enden angebracht und an ihrem Umfange an Ringen mm befestigt, welche gegen die gegenüberliegenden Seiten der Armatur durch Schrauben oder Bolzen zusammengezogen werden.

Die Armatur ist dauerhaft an den Gestellwänden DD, Fig. 14 und 15, befestigt. Die Gestellwände sind durch die Schrauben q q an vier Querbalken L L geschraubt, welche durch Zwischenräume zwischen den Armaturspulen c c hindurchgehen und den Armaturkern berühren. Auf beiden Seiten des Kernes sind in Zwischenräume der Spulen c c keilförmige Platten r eingepafst und mit isolirten Schraubenbolzen, die durch den Kern hindurchgehen, festgeschraubt. Die Querbalken L L sind dann durch isolirte Schrauben wieder an den Plattenrr befestigt.

Die Feldmagnetpolarme α α rotiren in den Zwischenräumen, welche die Gestellwände, die Armatur und die Feldmagnetspule bilden. Die Polschuhe ρ ρ sind so dick, dafs ihre Innenfläche dicht an die Armatur herantritt, Fig. 12, und ihre Vorder- und Hinterkanten sind nach aufsen so divergirend, Fig. 10, dafs sie, wenn die Pole rotiren, scheerenartig über die Kernpole k k der Armatur fortgehen. Auf diese Weise werden die verdichteten Kraftlinien, indem sie von den Vorderkanten der Polschuhe ρ ρ auf die Kernpole kk übergehen, sobald der erstere jedem neuen Kernpol begegnet, sich die schräge Kante des Polschuhes entlang nach innen bewegen, wodurch der magnetische Zug dauernder als bisher wird.

Die magnetischen Theile können, um sie vor Staub und Beschädigung zu bewahren, wie in PIg. 14 und 15 gezeigt, mit einem Mantels umgeben werden. Dünne, isolirte oder aus nicht magnetischem Material gemachte Scheiben 11 sind von innen an den Gestellwänden DD befestigt, und ein Reifen s aus gleichem Material ist dann um die Scheiben t gelegt, so dafs er die Armatur freiläfst und auf den flachen Enden der Arme die Gestellwände durch Schrauben befestigt.

Der Commutator besteht aus feststehenden Segmenten ee und rotirenden Bürsten//¹. Bei der gezeichneten Construction hat die Armatur 24 Spulen c c und der Commutator 24 Segmente ee, die durch 24 Drähte dd mit den Verbundenden zwischen den verschiedenen Armaturspulen wie gewöhnlich verbunden sind. Zwei Bürsten// sind mit der positiven Klemme und zwei /'/' mit der negativen verbunden. Der Strom geht auf diese Weise durch die Armatur in Parallelschaltung (auf Quantität).

Wird es vorgezogen, den Strom ungetheilt zu benutzen, so' werden nur zwei Commutatorbürsten angewendet und die Armaturspulen demgemä'fs in irgend einer Art, die in der Construction von Flachringdynamos gebraucht wird, verbunden.

Die positiven Bürsten ff werden von den Armen g g der Nabe h getragen, die auf der Welle C befestigt ist; die negativen f^lf^l von den Armen g·¹ g¹ der Nabe Λ¹, welche über die Nabe h, aber isolirt von ihr, aufgesetzt ist. Zwei Schleiffedern i z^! machen mit h bezw. h¹ Contact, indem . sie aus einander und gegen die Naben durch die isolirte Schraube n^l gedrückt werden. Die Schleiffedern ti¹ sind an die Klemmen ο und bezw. o¹, Fig. io, angeschlossen.

Ein Elektromotor mufs Einrichtungen zum Anhalten, Anlassen und Reversiren besitzen. In der vorliegenden Maschine wird durch die Bewegung des Hebels H die Stellung der Commutatorsegmente verschoben , wodurch deren Beziehung zu den Bürsten geändert und folglich die entsprechende Stellung der Armaturpole geändert wird. Die Segmente e e sind an der Isolirplatte G, die mit dem Hebel H fest zusammenhängt, befestigt. In Fig. io ist der Hebel H in seiner Mittelstellung dargestellt, die er einnimmt, wenn die Maschine stillsteht. Soll die Maschine vorwärts gehen, so wird der Hebel H in die punktirte Stellung H^x gebracht, für das Reversiren in die punktirte Stellung H". Damit die Commutatorsegmente in diesem Umfange bewegt werden können, müssen die Verbindungsdrähte d d biegsam und genügend schlaff gemacht werden. Bei kleinen Maschinen werden die 24 Drähte d d in vier Gruppen zu sechs getheilt und durch passende Umhüllung in ein biegsames Kabel ν vereinigt, das an einem Ende durch die Klammer u gehalten ist.

Um den Hebel H in irgend einer Lage festzuhalten, ist er mit einer federnden Falle versehen, die in ein Zahnsegment I eingreift, das an der vorderen Gestellwand D befestigt ist. Die besondere Construction dieser Vorrichtung ist in Fig. 10 bis 16 dargestellt. Der Fallenhebel Q, der sich mit dem Kloben n> dreht, ist durch denselben mit dem Hebel H vereinigt und trägt die Schraube ohne Ende /, deren Kopfende sich im Kloben w drehen bezw. schrauben läfst. Eine Feder y drückt die Schraube J in Eingriff mit dem Zahnsegment /. Drückt man den oberen Arm der Falle Q nach dem Hebel H hin, Fig. 16, so wird die Schraube aus dem Eingriff gehoben und der Hebel H kann in irgend welche beliebige Stellung gebracht werden. Eine feinere Einstellung kann noch durch Drehen der Schraube J an ihrem Kopfe vorgenommen werden. Wenn gewünscht, kann eine Differentialeinstellung angewendet werden, wie in Fig. 16, indem der Schaft der Schraube J ein feineres Gewinde, als sie selbst hat, bekommt und sich damit in dem Kloben w hin- und herschrauben läfst.

Fig. 17, 18 und 19 zeigen die Construction der Armaturkernvorsprünge k k. Sie werden hohl oder trogförmig gemacht, so dafs sie der inducirenden Wirkung der Feldpole zwei Metallkanten zukehren. In Fig. 17 bestehen sie aus zwei Winkeleisen, die, zusammengepafst und mit einer Isolirschicht versehen, mit ihrem glatten Fufs k" gegen das Eisen des Kernes gekehrt werden, Fig. 11. Die gegenüberliegenden, keilförmigen Vorsprünge k k werden dann paarweise durch isolirte Schrauben \ an den Kern angeschraubt. In Fig. 18 sind diese Theile k aus einem zweimal. aufgebogenen Eisen hergestellt, während Fig. 19 .sie durch angesetzte Stücke verstärkt darstellt. Es ist vortheilhaft, die Theile k aus mehreren Blättern, dünnen Blechen, zu machen. Dadurch, dafs sie hohl, A. h. so gemacht werden, dafs sie zwei Kanten /c¹ k' an den Polschuhen a a des Feldmagneten darbieten, werden die Kraftlinien' so vertheilt, dafs ein vorwärts gehender Polschuh zuerst hauptsächlich von den Kraftlinien angezogen wird, die herüberströmen von der Wand oder Kante, die ihm am nächsten ist. Während er weiter vorwärts geht, bis er die Kante überdeckt, und dadurch weniger angezogen wird, werden von der anderen Kante neue Kraftlinien auf ihn übergehen und ihn weiter anziehen.

Fig. 20 und 21 zeigen eine andere Construction , um denselben Zweck zu erreichen, die sich besonders für grofse Armaturen eignet, die mit zahlreichen Spulen umwickelt sind. Die Theile k k haben hierbei parallele Kanten. Zwei derselben werden von den beiden Seiten gegen den Kern gelegt und die Spule dann in diese Tröge und um den Kern gewickelt, wodurch sie selbst festgemacht sind. Um die Armatur an den Querbalken L zu befestigen, bekommen zwei dieser Tröge k k auf jeder Seite des Kernes keilförmige Schraubenbolzen r, die an sie angeschraubt oder genietet sind. Der Querbalken L wird dann auf die Bolzen r aufgeschoben und durch Muttern gesichert, Fig. 21.

Die Erfindung kann in einigen Punkten variirt werden. Fig. 22 giebt eine Vorderansicht, Fig. 23 einen axialen Verticalschnitt in der Linie 23-23 einer i2poligen Maschine.

Bei dieser Construction ist der Feldmagnet F sehr grofs und sein Kernstück zu einem grofsen Rohr ausgedehnt, welches zwischen den Scheiben a^l a^l eingeschlossen ist. Jede dieser Scheiben a'¹ hat sechs Polschuhe α λ, und zwar sind die Pole der einen Seite in der Mitte zwischen je zwei Polen der anderen Seite an-

geordnet. Die Armatur ist mit mehr Spulen umwickelt, daher hat sie zwölf Pole, anstatt vier.

Fig. 24 zeigt eine andere Variation in axialem Verticalschnitt. Der Feldmagnet ist hier feststehend, während die Armatur rotirt. Der Feldmagnet F ist auf der Welle C unbeweglich, die in den Lagerböcken D festgeschraubt ist. Die Armatur ist im Innern einer runden Büchse P befestigt, die zugleich Riemscheibe ist. Die Seiten P¹P¹ der Büchse besitzen Naben, mit denen sie sich auf der Welle C drehen. Der Commutator, aus den Segmenten e e bestehend, ist an die hintere Seite P¹ angesetzt; die Commutatorbürsten stehen still. Die Feldmagnetspule E ist direct auf die Nabe des Feldmagneten gewickelt und steht mit ihm still.

Die Erfindung kann auf magnetoelektrische Maschinen angewendet werden, indem die Spule E einfach weggelassen und der Feldmagnet F zu einem permanenten gemacht wird.

Claims (1)

1. PATENT-Anspruch:

   Bei Elektromotoren und dynamoelektrischen Maschinen die Anordnung der Feldmagnete (F) in der Weise, dafs im Innern der Ringarmatur (A) ein mittlerer Eisenkern liegt, an welchen sich Polarme (a) anschliefsen, die auf jeder Seite der Armatur (A) von gleicher, auf verschiedenen Seiten derselben von entgegengesetzter Polarität sind, wobei die ungleichnamigen Pole gegen einander versetzt sind und von einer den mittleren Kern der Feldmagnete (F) umschliefsenden Spule (E) erregt werden.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.