DE45252C - Einrichtungen an dynamo-eleklrischen Maschinen und Elektromotoren - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Einrichtungen beziehen sich auf dynamoelektrische oder magneto-elektrische Maschinen zur Erzeugung von Wechsel- oder Gleichströmen und auf Elektromotoren. Ihr Zweck ist, die gröfste Wirksamkeit mit dem geringsten Gewicht im kleinsten Raum zu vereinigen.

Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf Elektricitätserzeuger oder Motoren, in denen die magnetischen Kraftlinien immer annähernd senkrecht zur Ebene der Armaturspulen sind, und in denen die Wirkung von einem Uebergang entweder von einem dichten auf ein schwaches Kraftfeld, oder von einem Kraftfelde der einen Polarität auf eines der entgegengesetzten herrührt. Die meisten Wechselstromdynamos gehören zu dieser Klasse. Der hier gebrauchte Anker ist ringförmig und besteht aus Spulen, die mit ihren Achsen nahezu parallel zu einander und parallel zu und gleich entfernt von der Achse der Drehung angeordnet sind.

Die Einrichtungen zeigen einige vollkommen neue Grundsätze und Einrichtungen an Maschinen dieser Klasse angewendet. Damit dieselben ganz verstanden werden, sollen diese neuen Constructionen unter Zuhülfenahme der schematischen Darstellung von Fig. 1 bis 6 mit den bisher gebräuchlichen verglichen werden.

Es ist wohlbekannt, dafs in einem Dynamooder Elektromotor der magnetische Strom aus zwei Theilen besteht, von denen der eine im Feldmagneten, der andere in dem Anker enthalten ist. In diesem Strom 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 Typus eines gewöhnlichen Dynamo- oder Elektromotors. A ist die Armatur und F der Feldmagnet. Die punktirten Linien stellen die Richtung der Kraftlinien dar. Angenommen, dafs der Anker durch einen durch seine Spulen (die nicht gezeichnet sind) gehenden Strom erregt ist, so entstehen an entgegengesetzten Seiten Pole, 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 der Anker, was, obschon es bei einem Dynamomotor nicht tadelnswerth ist, für einen Elektromotor unerwünscht ist, weil bei .diesem die gröfste Wirkung für ein gewisses Gewicht durch gleiche Theilung desselben zwischen Armatur und Feldmagnet erreicht wird.

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

In beiden Constructionen kann der Anker oder der Feldmagnet rotiren. Gewöhnlich läfst

man den leichteren Theil sich bewegen, so dafs in Fig. ι der Anker, in Fig. 2 und 3 der Feldmagnet rotirt.

Fig. 4, 5 und 6 stellen die Erfindung, als in einer Dynamomaschine der einfachsten Art verkörpert, schematisch dar. Fig. 4 ist ein Querschnitt, Fig. 5 eine Vorderansicht des Ankers Ä und der erregenden Spule E, während der Feldmagnet F fortgenommen ist; Fig. 6 ist eine innere Vorderansicht des Feldmagneten allein, der in der Mitte quer zur Achse geschnitten ist.

Der magnetische Stromkreis des Ankers wird durch den durch die offene Mitte des Ankers von einer Seite zur anderen hindurchgehenden Feldmagneten geschlossen, der dadurch die Ebene des Ankers durchschneidet. Auf diese Weise ist der Feldmagnet weder ganz aufserhalb des Ankers, wie in Fig. 1, noch ganz innerhalb desselben, wie in Fig. 2 und 3, sondern theils aufserhalb und theils innerhalb angebracht. Der mittlere Theil des Feldmagneten geht, und zwar vortheilhafterweise parallel zur Achse der Rotation, durch die Mitte des Ankers. Beide Enden des Feldmagneten dehnen sich dann radial aus und enden in Pole α α, welche dicht an den Anker und seine Pole herantreten. Auf diese Art kommen die entgegengesetzten Pole des Feldmagneten an entgegengesetzte Seiten der Fläche des Ankers.

Die Fig. 4, 5 und 6 stellen eine Dynamomaschine für Wechselströme dar. Die Ringarmatur A besteht aus zwölf Spulen c c, die in gleichen Abständen von einander in einem Kreise angeordnet sind, so dafs ihre kurzen Eisenkerne j alle parellel zur Achse C sind. Die Spulen c c sind mit einander auf Spannung (hinter einander) in abwechselnder Folge verbunden, so dafs, wenn ein continuirlicher Strom durch sie hindurchgeht, dieser den Kernen abwechselnd entgegengesetzte Polaritäten ertheilt

Der Feldmagnet F besitzt eine dicke Nabe b, an deren beiden Enden je sechs radiale Polschuhe α α in der in Fig. 4 und 6 dargestellten Weise angebracht sind. Sie treten nahe an die Enden der Kerne j j, so dafs, wenn einer dieser Kerne mit zwei gegenüberstehenden Polschuhen in einer Linie liegt, der magnetische Stromkreis, wie es durch die punktirten Kraftlinien in Fig. 4 angedeutet, geschlossen ist.

Die das Feld erregende Spule E ist innerhalb der Ringarmatur angeordnet und umgiebt die Nabe b des Feldmagneten. Die Polschuhe α α erstrecken sich in radialer Richtung vor und hinter den Enden dieser Spule E.

Beide, der Anker oder der Feldmagnet, können feststehend sein. In der Zeichnung ist der Anker fest, der Feldmagnet rotirend dargestellt. Die Spule E ist in dem Anker befestigt und steht still.

Die im Feldmagneten durch einen elektrischen Strom in der Spule E hervorgebrachten Kraftlinien gehen durch die Nabe b und werden durch die Polschuhe in radialer Richtung vertheilt, während der magnetische Stromkreis durch die Kerne j j geschlossen wird.

Die Wirkung ist wesentlich dieselbe wie in den bisherigen Wechselstrommaschinen. Wenn jedes Paar von Feldpolen '/₁₂ Umdrehung von der mit einem Kernj übereinstimmenden Lage zu der mit dem nächsten Kern j übereinstimmenden fortschreitet, so wird in den Ankerspulen ein Strom nach einer Richtung hervorgebracht, und wenn die Pole das nächste Zwölftel der Umdrehung fortschreiten, so dafs sie mit dem nächstfolgenden Kern j übereinstimmen, so wird ein Strom in entgegengesetzter Richtung hervorgebracht. Auf diese Art wird mit zwölf Spulen c c und sechs Polschuhen die Richtung des Stromes zwölf Mal bei jeder Umdrehung umgekehrt.
■ Für eine Wechselstrommaschine kann eine beliebige Anzahl von Paaren von entgegengesetzten Polschuhen α α angewendet werden. Es müssen doppelt so viele Spulen c c vorhanden sein, als Paare von Polschuhen.

Will man gleichgerichtete oder unterbrochene Ströme haben, so wird der Maschine ein entsprechender Commutator hinzugefügt.

Soll die Maschine continuirliche Ströme von gleichförmigem Potential erzeugen, so mufs die Anzahl von Paaren von Polen α α entweder gröfser oder kleiner sein als die halbe Anzahl der Ankerspulen.

Für einen Elektromotor, der durch continuirlichen Strom getrieben werden soll, kann die letztbeschriebene Construction gebraucht werden. Die Ankerspulen werden dann alle Pole α α in derselben Richtung anziehen und dadurch den Feldmagneten zum Rotiren bringen.

Fig. 7 stellt eine Vorderansicht eines Elektromotors, Fig. 8 eine Seitenansicht, bei der der Mantel theilweise weggebrochen ist, Fig. 9 einen Querschnitt, Fig. 10 einen Schnitt nach der Linie 10-10 der Fig. 8 und 9, in der Richtung der Pfeile gesehen, Fig. 11 senkrechte Schnitte nach den drei Linien 11-11 in Fig. 9 dar.

Die Ringarmatur A dieses Elektromotors hat zwölf Spulen c c und ist feststehend. Dagegen hat der Feldmagnet fünf Polschuhe α α und rotirt.

Auf dem Fundament B erheben sich zwei Gestellwände D D, Fig. 8 und 9, welche die Lager für die Welle C tragen. Der Feldmagnet F besteht aus einer dicken, hohlen und cylindrischen Nabe b, die auf der Welle C befestigt ist, und aus zwei Endstücken oder Köpfen a' a', Fig. 9 und 10, die an den beiden Endflächen der Nabe b befestigt und mit fünf Armen oder Polschuhen α α in gleichen Abständen versehen sind. An jedem dieser Arme ist ein Block a"

befestigt, der den eigentlichen Pol des Feldmagneten bildet. Diese Blöcke a" nähern sich paarweise einander auf den entgegenstehenden Seiten der Armatur, Fig. 8.

Der Anker A besteht aus zwölf kurzen Eisenkernen jj, auf welche die Spulen cc aufgeschoben sind, und aus zwei Eisenringen R R, die von beiden Seiten an den Kernen befestigt sind.

Die Ringe JR R machen mit den auf einander folgenden Kernen magnetische Verbindung, so dafs eine Folge von geschlossenen magnetischen Stromkreisen entsteht, wie dies Fig. 12 zeigt, die eine Abwickelung auf eine Ebene des Eisentheiles des Ankers schematisch darstellt. Die punktirten Linien zeigen die Kraftlinien und wie dieselben von jedem Kern j durch die Ringe R in beiden Richtungen zum nächsten Kern j. und zurückgehen.

Es empfiehlt sich, um Foucault-Ströme zu vermeiden, die Kerne j auf einer Seite der Länge nach zu schlitzen, Fig. 11, und die Ringe R R aus Blättern zu machen. Dazu wird ein weiches Eisenband, wie eine Uhrfeder, mit einem Papierstreifen (oder anderem Isolirmaterial) spiralförmig aufgewunden, Fig. 9 und 11. Zwölf Scheibchen k k, die, um Foucault-Ströme zu verhindern, ebenfalls aufgeschnitten sind, sind in Vertiefungen der Aufsenfläche jedes Ringes R bündig mit derselben eingelassen und dienen den Schrauben, mit denen die Ringe R an die Kerne geschraubt sind, als Unterlagen, Fig. 9 und 11.

Die Spulen c c können von rundem, isolirtem Draht, Fig. 4 und 5, oder aus Kupferstreifen hergestellt sein. Letzterer wird mit isolirender Zwischenlage (Papier u. s. w.) spiralförmig (wie eine Uhrfeder) gewunden und auf den Stirnflächen mit Platten eines Nichtleiters versehen. Jede Spule c nimmt nur die halbe Länge ihres Kernes j ein und greift über die beiden nächstliegenden Spulen, Fig. 8, 9, 10 und 11. Da der Strom in den auf einander folgenden Spulen in entgegengesetzten Richtungen fliefst, so fliefst er in den über einander greifenden Theilen der Spulen in derselben Richtung (d. h. nach oder von der Achse der Rotation), so dafs der Strom in einer Spule mit dem in der nächsten zusammen arbeitet und ihn verstärkt.

Die Feldspule E ist innerhalb des Kreises der Ankerspulen gewunden und erstreckt sich an beiden Seiten desselben, Fig. 9, beinahe bis an die Ringe -R R. üeber diese Spule E sind zwei Ringe Z Z, die in die Ringe R R hineinpassen, gelegt, so dafs die Spule E fest mit dem Anker verbunden ist. Letzterer wieder ist durch die cylindrischen Reifen m m, Fig. 8 und 9, mit den Gestellwänden D vereinigt, die durch die Bolzen oder Schrauben η η zusammengezogen werden.

Der Commutator besitzt feste, mit den festen Ankerspulen c c verbundene Segmente e e und rotirende, von der Welle C getragene Bürsten/^/"¹. In der Zeichnung sind zwei positive und zwei negative Bürsten dargestellt; es genügen aber auch nur je eine. Die beiden positiven Bürsten ff sitzen auf den Armen g g der Nabe h, gegen die ein Kupferstreifen i, der Conductor, angedrückt wird, Fig. 9. Die beiden negativen Bürsten ff sitzen auf den Armen g' g' der Scheibe h", von deren Mitte ein Zapfen /?'" axial hervorsteht, auf welchen die Mutter h' geschraubt ist. Gegen diese wird der Conductor V angedrückt, Fig. 7 und 9. Der elektrische Contact der · Conductoren i und V mit den Flächen von h und h' wird durch die, erstere aus einander drückende, nichtleitende Schraube n' hervorgebracht. Die Conductoren i und V sind mit Klemmen 0 0' verbunden, die mit den entsprechenden Drähten des Stromkreises verbunden sind.

Die unbeweglichen Theile des Commutators werden von dem an der einen Gestellwand D befestigten Hohlcylinder G getragen. Jedes von den 60 Commutatorsegmenten (12 Armaturspulen X 5 Paare von Polschuhen) besitzt vorn und hinten einen Einschnitt, so dafs, wenn alle 60 Segmente zusammengesetzt sind, zwei concentrische Ringnuthe^rn entstehen, in welche mit isolirender Zwischenlage die Ringe q q passen, Fig. 9. Die Segmente werden dadurch in ihrer Lage gesichert, dafs der Flantsch p' einer in den Hohlcylinder G geschraubten Ringschraube sie gegen den festen Halsring ρ preist.

Auf den Hohlcylinder G sind hinter den Halsringj? zwölf Metallringe r r mit isolirender Zwischenlage aufgeschoben. Jeder Ring r hat fünf gleich weit aus einander stehende, parallel zur Welle C umgebogene Arme r', wie dies in Fig. ι 3 perspectivisch dargestellt ist. Zwischen je zwei Ankerspulen liegt ein Verbindungsdraht d, und diese zwölf Drähte d d sind wieder entsprechend mit den zwölf Ringen r r verbunden. Die fünf Arme r' r' jedes Ringes r sind jeder mit einem Commutatorsegment e verbunden, Fig. 8 und 9. Auf diese Art sind die 60 Segmente e e in fünf Gruppen von je zwölf Segmenten vertheilt, so dafs das erste Segment mit der ersten Spule, das zweite Segment mit der zweiten Spule und so fort durch die ganzen zwölf Segmente jeder Gruppe verbunden sind.

Die beiden positiven Bürsten ff müssen so adjustirt sein, dafs, wenn eine von ihnen mit einem der fünf Commutatorsegmente in Contact ist, welche mit einem Ring r und einer Spule c verbunden sind, die andere mit irgend einem anderen dieser fünf Segmente in Contact ist, so dafs der durch diese zwei Bürsten eintretende Strom sich in dem einen Ring r ver-

einigt und von da durch den einen Draht d zu einem Paar der Spulen geführt wird. Die negativen Bürsten/'/' sind ebenso angeordnet, um beide Contact mit den Segmenten einer der fünf Gruppen zu machen.

Die ßürstenarme g' g' sind durch die Scheibe h" an einer auf das Ende der Welle C und innerhalb des Hohlcylinders G aufgezogenen Muffe H aus nichtleitendem Material befestigt, die, nachdem sie gehörig eingestellt ist, auf die Welle festgeklemmt wird. Die Schraube s\ Fig. 14, kann von vorn mit einem Schraubenzieher in die Muffe H eingeschraubt werden, wobei ein konischer Theil des Schraubenschaftes einen Keil s fest an die Welle C preist, so dafs weder die Muffe noch der Bürstenträger sich bewegen kann.

Wie die Bürsten sich vorwärts drehen, entstehen auf einander folgende Umkehrungen des Stromes in den Ankerspulen. Die neutrale Linie rotirt eine Umdrehung rückwärts, während der Feldmagnet Y₅ Umdrehung vorwärts rotirt. Der Strom in jeder Spule wird also zehnmal bei jeder Umdrehung des Feldes umgekehrt, so dafs 120 Umkehrungen im Ganzen bei jeder Umdrehung stattfinden. In jeder Spule fliefst der Strom während '/,„ Umdrehung nach der einen Richtung und zieht dabei einen Pol des Feldes an, und wird dann für das nächste Y₁₀ umgekehrt und stöfst den Pol ab. Bei jeder Y₀₀ Umdrehung werden zwei diametral gegenüberliegende Spulen umgekehrt.

Die Einwirkungen der Feldmagnetpole auf den Anker gehen aus Fig. 12 hervor. Die Kraftlinien strömen von den Nordpolen an der einen Seite nach den Südpolen an der anderen, indem sie beinahe vollständig dem Eisen des Ankers folgen. Man wird bemerken, dafs diese Kraftlinien alle in derselben Richtung abgelenkt werden. Dies kommt von der Einwirkung der Kraftlinien, die in dem Anker durch die Spulen c derselben erzeugt werden. Die wohlbekannte Neigung der Kraftlinien, sich zu verkürzen, äufsert sich in dem Vorwärtsziehen der Feldmagnetpole in der Richtung des Pfeiles.

Diese Anordnung kann verschiedentlich abgeändert werden. Fig. 15 und 16 zeigen eine Dynamomaschine zur Erzeugung gleichgerichteter Ströme.

Fig. 15 stellt einen Querschnitt, Fig. 16 einen Schnitt nach der Linie 16-16 dar.

Der Feldmagnet F besitzt eine gröfsere Masse als bei der vorigen Construction und eine gröfsere erregende Spule. Der Kern b besteht aus einem grofsen offenen Rohr, um welches die Spule E gewunden ist. Das Rohr b ist zwischen den Polscheiben a' a' befestigt, die neun radiale Arme oder Polschuhe a a tragen, die so nahe an einander treten, dafs nur Platz für den Anker bleibt.

Der Feldmagnet F mit seiner Spule E bewegt sich nicht, sondern ist auf der von den Ständern D unbeweglich festgehaltenen Welle C festgestellt. Der Anker A rotirt. Derselbe ist in einer Kapsel P befestigt, die mit ihren Naben auf der Welle C rotirt und deren äufsere gewölbte Ringfläche als Riemscheibe dient. Die Befestigung der Armatur in der Kapsel P ist dadurch bewirkt, dafs sie zwischen den an der Kapsel sitzenden Flantsch m und den losen Ring m' durch die Bolzen oder Schrauben η η eingeklemmt wird. Die Armatur trägt 16 Spulen, während der Feldmagnet neun Paar Polschuhe hat. Es ist gezeigt worden, dafs, wenn die Anzahl von Paaren von Polschuhen geringer ist als die Hälfte der Anzahl der Spulen, die neutrale Linie im Anker, wenn letzterer feststeht, sich rückwärts dreht; ist dagegen die Anzahl der Paare der Polschuhe gröfser als die Hälfte, so dreht sich die neutrale Linie vorwärts. Wäre in vorliegendem Falle der Anker feststehend und rotirten die Polschuhe, so würde sich die neutrale Linie neunmal so schnell vorwärts drehen als die Polschuhe. Da aber der Anker sich vorwärts dreht, während der Feldmagnet stillsteht, so dreht sich die neutrale Linie mit einer Schnelligkeit von 9:1, verglichen mit dem Anker, rückwärts (d. h. in entgegengesetzter Richtung zum Anker). Verglichen mit einem feststehenden Theil dreht sie sich achtmal rückwärts, während der Anker sich einmal vorwärts dreht. Man könnte dies .durch Commutatorbürsten und einen Commutator von neun auf einander folgenden Gruppen zu je 16 Segmenten, also in allem 144 Segmenten, bewirken, aber der in der Zeichnung dargestellte Weg erreicht den Zweck auf eine andere Weise, nämlich dadurch, dafs die Commutatorbürsten acht Umgänge rückwärts machen, während die Armatur und die Commutatorsegmente sich einmal vorwärts drehen.

Die Commutatorsegmente e e sitzen auf der nach vorn verlängerten Nabe der Vorderwand P' der Kapsel P. An derselben Wand ist das innen verzahnte Rad I befestigt, welches in den auf der Vorgelegewelle J' sitzenden Trieb J greift. Auf der Welle J' ist das Rad K' aufgekeilt, welches in den sich auf der festen Welle C drehenden Trieb K eingreift. Das Uebersetzungsverhältnifs ist ein solches, dafs, wenn I eine Umdrehung macht, K acht Umdrehungen in entgegengesetzter Richtung macht. An dem Trieb K sind die Arme g g' befestigt, welche die Bürsten//' tragen. Letztere sind mit den nichtleitenden Ringen h h' verbunden, auf denen die Schleiffedern i und V gleiten. Die Bewegungen der Commutatorsegmente und Bürsten bringen 288 Stromumkehrungen in den Ankerspulen für jede Umdrehung des Ankers hervor.

Die Einrichtungen sind sowohl für magnetoelektrische als auch für dynamo-elektrische Maschinen anwendbar. Anstatt der Feldmagnete F müssen nur permanente Magnete gebraucht und die erregende Spule E mufs fortgelassen werden.

Nicht unumgänglich nöthig sind die eisernen Armaturringe R R. Sie sind schliefslich nur wünschenswerth in einem Elektromotor. Auch können die Ankerkerne jj, wenn gewünscht, fortbleiben. Dann aber müssen die Spulen c c flach und dünn gemacht werden, um die gegenüberstehenden Pole α α so nahe an einander zu bringen, als möglich, und um das Kraftfeld zu verkürzen.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   An dynamo - elektrischen Maschinen und Elektromotoren die Anordnung einer drehbaren oder festen Ringarmatur A, deren abwechselnd entgegengesetzt senkrecht zur Ringachse gewickelte Spulen c hinter einander verbunden sind, und deren Eisenkerne j also parallel zur Ringachse liegen und auf derselben Seite der Armatur Folgepole zeigen, in Verbindung mit einem von nur einer feststehenden Spule E erregten drehbaren Feldmagneten F, der durch einen innerhalb des Armaturringes parallel zu dessen Achse liegenden cylindrischen Kern b gebildet wird, an dessen Enden sternartig radial einander gegenüberstehende Arme a angebracht sind, welche mit ihren Polschuhen a" seitlich bis dicht an den Armaturring herantreten, so dafs die von der Wickelung des Kernes in demselben erzeugten magnetischen Kraftlinien den Kern in der Längsachse durchfliefsen, sich dann gleichmäfsig in die Polstrahlen zu vertheilen, durch die Armatur rechtwinklig zur Windungsebene der Spulen zu den gegenüberstehenden Polen geführt werden und so den Kreislauf schliefsen.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.