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Bei veränderlicher Drehzahl sich selbst regelnde Gleichstromquerfeldmaschine
mit ausgeprägten Haupt- und Hilfspolen. Es ist bekannt, daß, wenn man bei einer
normalen Gleichstrommaschine die in der neutralen Zone des Feldes stehenden Bürsten
kurzschließt, nur eine ganz geringe Erregung des Feldes erforderlich ist, um zwischen
den kurzgeschlossenen Bürsten einen starken Strom fließen zu lassen. Dieser Strom
erzeugt durch die Ankerwicklung ein Feld, das sogenannte Querfeld, welches dem ursprünglichen
Erregerfeld um 9o° in der Drehrichtung vorauseilt.
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Will man einer solchen Maschine Nutzstrom entnehmen, so müssen in
der neutralen Zone des Querfeldes Bürsten angeordnet werden, und das ursprüngliche
Erregerfeld muß auf einen solchen Wert vergrößert werden, als der Ankerrückwirkung
dieses Stromes entspricht, da diese Ankerrückwirkung bekanntlich dem Querfeld wiederum
um go° vorauseilt, dein ursprünglichen Erregerfeld also um i8o°, diesem letzteren
also gerade entgegengesetzt gerichtet ist.
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Eine Maschine dieser Anordnung gibt bekanntlich bei veränderlicher
Drehzahl konstante Stromstärke; man kann sie kurzschließen, aber nichtleer laufen
lassen.
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Maschinen dieser Art lassen sich auch spannungsregelnd bauen, wenn
man das ursprüngliche Erregerfeld, das Primärfeld I, auf einen bestimmten Wert I
+ I' vergrößert und den Wert I' durch Gegenerregerwindungen, die von der Klemmspannung
der Maschine erregt werden, wieder ganz oder zum Teil vernichtet. Bei dieser Regelung
ist Voraus-Setzung, daß das Sekundärfeld II, das Querfeld, von dem im Anker fließenden
Kurzschlußstrom der- unmittelbar oder mittelbar kurzgeschlossenen Bürsten in der
neutralen Zone des Primärfeldes durch die Ankerwicklung allein erzeugt wird.
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In diesem Falle wird also das erregende Querfeld allein durch die
stromdurchflossenen Ankerleiter erzeugt; da diese aber verhältnismäßig in der Zahl
gering sind, so ist es offensichtlich, daß der Strom zwischen den kurzgeschlossenen
Bürsten dementsprechend groß ausfallen muß. Dies trifft ganz besonders bei größeren
und mehrpoligen Maschinen zu. Im Verein mit dem Nutzstrom bedeutet dies eine nicht
unerhebliche Vergrößerung der Kupferverluste im Anker oder, wenn diese vermieden
werden sollen, eine entsprechende Vergrößerung der Leiterquerschnitte, Die Erfindung
vermeidet dies dadurch, daß die Maschine mit Primär- und Sekundärpolen P und p ausgerüstet
ist und die in der neutralen Zone des ursprünglichen Erregerfeldes stehenden Bürsten
r-i (Abb. i) nicht mehr kurzgeschlossen sind, sondern über eine Erregerwicklung
a miteinander verbunden sind, die auf den Sekundärpolen p der Maschine liegt und
die so erregt ist, daß sie das sonst vom Anker herrührende Sekundärfeld II ersetzt.
Es wird dadurch erreicht, daß der Anker jetzt nicht mehr der eigentliche Energieträger
des Sekundärfeldes II ist, sondern die Sekundärpole p der Maschine, und da man diese
Wirkung beliebig groß in der
Windungszahl machen kann, so hat man
es in der Hand, den Strom, der das Sekundärfeld II erzeugt, beliebig klein zu halten.
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Gemäß der Erfindung wird die Maschine ferner dadurch spannungsregelnd
gemacht, daß man auf den Sekundärpolen p noch eine Gegenerregerwicklung c anbringt,
die an die Nutzbürsten 2-2 der Maschine angeschlossen ist, also an der Klemmspannung
der Maschine liegt (Abb. i), und der Sekundärerregung a so entgegenwirkt, daß nur
ein solcher Teil davon verbleibt, als zur Erzeugung der verlangten Klemmspannung
an den Nutzbürsten 2-2 erforderlich ist.
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Der Arbeitsvorgang gestaltet sich wie folgt: Auf den Hauptpolen P
ist eine primäre Erregerwicklung b aufgebracht, die einstweilen von einer Batterie
konstant erregt gedacht sei und welche ein kleines Primärfeld I derart erzeugen
soll, daß unten ein Nordpol und oben ein Südpol entsteht. Bei Linksdrehung des Ankers
wird an den Bürsten i-i eine Spannung entstehen, die an der rechten Seite positive
und an der linken Seite negative Polarität ergibt. Der Strom dieser Bürsten ist
um die Sekundärpole p derart durch Magnetwicklungen geleitet, daß in diesen ein
Sekundärfeld II entsteht, welches senkrecht auf dem Feld I der Primärpole P, steht.
Der Strom, der durch diese Wicklung a fließt, nimmt seinen Verlauf naturgemäß auch
durch die Ankerwicklung und macht den Anker zu einem Magneten, der seinerseits Kraftlinien
in gleicher Richtung wie die erregenden Magnetwicklungen a aussendet. Beide Wicklungen,
die auf den Sekundärpolen p angebrachten Sekundärerregerwicklungen a und die Ankerwicklung,
erzeugen also das Sekundärfeld II, welches, wie erwähnt, senkrecht auf dem Primärfeld
l steht. Man kann die Anordnung nun so treffen, daß die Sekundärerregung a als eigentlicher
Erzeuger des Sekundärfeldes II anzusehen ist, oder auch so, daß sie nur zur Verstärkung
dieser Felder in jeder Größe herangezogen ist.
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In der neutralen Zone des Sekundärfeldes II sind die Nutzbürsten 2-2
angeordnet, die eine Spannung entsprechend der Größe dieses Feldes führen. An den
Bürsten 2-2 liegt weiterhin die Gegenerregerwicklung c, welche dem von der Sekundärerregung
a erzeugten Sekundärfeld II entgegenwirkt und so bemessen ist, daß von diesem letzteren
nur ein solcher Teil verbleibt, als zur Erzeugung der Nutzspannung an den Bürsten
2-2 nötig ist.
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Angenommen, zur Erzeugung der verlangten Klemmspannung an den Bürsten
2-2 seien 5oo AW erforderlich. Auf der Sekundärwicklung a seien 55oo AW aufgebracht,
von denen aber durch die Gegenerregerwicklung c 5ooo wieder kompensiert sind. Es
verblieben demnach die verlangten 5oo AW wirksam. Stiege infolge Drehzahländerung
die Spannung an den Bürsten 2-2 um io Prozent, so wäre die Gegenwirkung der Wicklung
c auch um io Prozent gestiegen, d. h. auf 55oo. Die zur Erzeugung der Spannung an
den Bürsten 2-2 benötigten 5oo AW wären demnach vollkommen aufgehoben, es könnte
mithin auch keine Spannung an diesen Bürsten mehr vorhanden sein. So hoch man auch
die Drehzahl steigern möge, eine Erhöhung der Spannung von io Prozent könnte niemals
eintreten.
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Nun verläuft der Strom zwischen den Bürsten i-i bekanntlich aber so,
daß er mit wachsender Drehzahl sinkt. Die Folge davon ist, daß bei dem angenommenen
Verhältnis der Wicklungen a zu c die Spannung an den Bürsten 2-2 bei steigender
Drehzahl sogar fällt. Man kann das Verhältnis beider Wicklungen zueinander so wählen,
daß bei Drehzahlsteigerung jede gewünschte Spannungscharakteristik erreicht wird,
entweder vollkommene Konstanz oder beliebig steigende oder fallende Spannung.
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Man kann die Wirkung nun aber noch verstärken, wenn man die Gegenerregerwicklung
c "außer der Sekundärwicklung a auch noch der Primärwicklung b entgegenwirken läßt
(Abb. 2). Man muß diese letztere also auch um einen gewissen konstanten Wert von
vornherein vergrößern, der dann wiederum durch die Gegenerregung c ganz oder teilweise
aufgehoben wird. Bei steigender Drehzahl wird derA'rbeitsvorgäng sich also so gestalten,
daß, wenn die Spannung an den Nutzbürsten 2-2 versuchen würde anzusteigen, durch
die Gegenerregung c das Sekundärfeld II und durch die Gegenerregung c' auch das
Primärfeld I der Vernichtung anheim fiele. Da nun eine Verringerung des Primärfeldes
I auch eine Verringerung des Sekundärfeldes nach sich zieht, so ist es offensichtlich,
daß nur sehr kleine Kräfte durch die beiden Gegenerregerwicklungen c und c' in Erscheinung'
zu treten brauchen, um eine sehr große Wirkung in der Primärerregung b und der Sekundärerregung
a hervorzurufen und damit an der Spannung der Nutzbürsten 2-2. Naturgemäß kann man
die Gegenwicklung c' auch nur allein der Primärwicklung b entgegenwirken lassen,
z. B. dort, wo eine ansteigende Spannungscharakteristik erforderlich ist.
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Eine weitere Veränderung der Wirkung besteht darin, daß die Primärerregung
b eine Vergrößerung durch eine zusätzliche Erregerwicklung a' erhält, die ebenso
wie die Sekundärerregung a vom Strome der Bürsten i-i in der neutralen Zone des
Primärfeldes I durchflossen ist, wobei die Wirkung der zusätzlichen Primärerregung
a' aber durch die
Gegenerregerwicklung c' ganz oder teilweise aufgehoben
ist (Abb. 3).
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Da der Strom der in der neutralen Zone des Primärfeldes stehenden
Bürsten i-i, wie bereits erwähnt, bei steigender Drehzahl abnimmt, so wird also
nicht nur die Sekundärerregung a, sondern auch die zusätzliche Primärerregung ä
mit der Drehzahl an und für sich geringer, so daß die beiden Wicklungen a und a',
außerdem noch beeinflussende Gegenerregerwicklung c oder c' oder alle beide Wicklungen
nur sehr klein zu sein brauchen, um eine außerordentlich rasche und völlig sichere
Spannungsregelung an den Nutzbürsten 2-2 zu erhalten. Naturgemäß kann auch bei diesen
Anordnungen der sich gegenseitig beeinflussenden Wicklungen a-ä -b-c-c' jede erwünschte
Charakteristik der Nutzspannung erhalten werden.
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Die vielseitigen Erreger- und Gegenerregermöglichkeiten, die jede
einen besonderen Verlauf der Spannungscharakteristik gemäß der Erfindung zufolge
hat, ergibt nachfolgende Zusammenfassung.
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Es kann der Strom der in der neutralen Zone des Primärfeldes I stehenden
Hilfsbürsten i-i über eine Wicklung a auf den Sekundärpolen p zur eigentlichen Erzeugung
oder auch nur zur Verstärkung des Sekundärfeldes II geleitet sein, während an den
Nutzbürsten 2-2 in der neutralen Zone des Sekundärfeldes II eine Gegenerregerwicklung
c auf den Sekundärpolen p angeschlossen ist, die dem Sekundärfeld allein entgegenwirkt,
oder die Gegenerregerwicklung c' kann auf den Primärpolen P dem Primärfelde I oder
beide Gegenerregerwicklungen c und c' können gemeinsam dem Sekundärfeld II und dein
Primärfeld I entgegenwirken (Abb. i und 2).
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Dann kann der Strom der Hilfsbürsten i-i über eine Wicklung a auf
den Sekundärpolen p zur Erzeugung oder Verstärkung des Sekundärfeldes II und außerdem
durch eine Wicklung a' auf den Primärpolen zur Erzeugung oder Verstärkung des Primärfeldes
I geleitet sein, während die an den Nutzbürsten 2-2 angeschlossene Gegenerregerwicklung
c auf den Sekundärpolen p dem Sekundärfeld II allein oder auf den Primärpolen P
als Wicklung c' dem Primärfeld I allein entgegenwirkt, oder beide Gegenerregerwicklungen
c und c können gemeinsam dem Sekundärfeld II und dem Primärfeld I entgegenwirken
(Abb. 3).
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Weiterhin kann der Strom der Hilfsbürsten i-i nur zur Erzeugung oder
Verstärkung des Primärfeldes I dienen, während die Gegenerregung wiederum nur dem
Sekundärfeld oder dem Primärfeld oder beiden Feldern entgegenwirken kann.
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Es war bisher angenommen, daß die Primärerregung h von einer konstanten
Stromquelle gespeist wurde. Man wird diese Erregung nun aber dadurch von der Klemmspannung
der Maschine aus konstant erregen, daß man dieser Wicklung einem in Wasserstoffgas
befindlichen Eisendrahtwiderstand vorschaltet (Abb. 2 und 3), der in bekannter Weise
den Strom innerhalb weiter Spannungsgrenzen konstant hält.
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Aber auch dieser Widerstand kann bei geeigneter Bemessung der Wicklungen
zueinander fehlen (Abb. 4), d. h. von einer konstanten Primärerregung kann abgesehen
werden, wenn z. B. die Primärerregung vom Strom der Bürsten i-i durch die Wicklung
a' erfolgt und eine langsam ansteigende Spannungscharakteristik verlangt wird, was
für die Anwendung beim Antrieb durch Windturbine in Verbindung mit einer Batterie
erforderlich ist, um den Wind nach seiner jeweiligen Stärke zur Arbeitsleistung
heranzuziehen und die Batterie zur Pufferung.
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Bei den mannigfaltigen Erregeranordnungen, die sich aus den verschiedenen
Lagen der vom Strom der Bürsten i-i und den von der Spannung der Bürsten 2-2 beeinflußten
Erreger- und Gegenerregerwicklungen ergeben, kann nun der eigenartigste Verlauf
der Spannung bei veränderlicher Drehzahl erreicht werden. Nicht nur, daß vollkommeneKonstanz
der Spannung erreicht wird oder mit derDrehzahl beliebig steigende oder fallende,
sondern auch im unteren Drehzahlbereich ansteigende und dann abfallende Spannung
oder auch, umgekehrt, erst abfallende und dann wieder ansteigende Spannung.
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Um der Maschine Nutzstrom entnehmen zu können, ist es erforderlich,
auf den Polen eine Hauptstromwicklung H anzubringen, die ganz oder teilweise vom
Nutzstrom durchflossen ist und der Ankerrückwirkung des Nutzstromes das Gleichgewicht
hält. Man kann naturgemäß diese Hauptstromwicklung TI auch in der Wirkung größer
oder kleiner als die entgegenwirkende Ankerrückwirkung machen, um eine überkompensierte
oder unterkompensierte Maschine zu erhalten (Abb. i bis 4). Die Wirkung der Hauptstromwicklung
H kann nun wesentlich dadurch erhöht werden, daß man diese Wicklung die Sekundärerregung
auf den Polen umfassen läßt (Abb. 5).
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Es wird dadurch erreicht, daß die Streuung dieser Wicklung verringert
wird und die Kompensation der vom Nutzstrom herrührenden Ankerrückwirkung vollkommener
erfolgt. Dies trifft besonders in dem unteren Drehzahlbereich zu.
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Zur Verbesserung der Stromwendung kann ein Wendepol Wp zwischen den
Sekundärpolen angeordnet werden (Abb. 6), der mit
einer Wicklung
w versehen ist, die vom Hauptstrom der Maschine ganz oder teilweise durchflossen
ist. Da die Hauptstromwicklung H die Ankerrückwirkung aufhebt, so brauchen auf diesem
Wendepol nur so viele Windungen aufgebracht werden, als zur Erzeugung des an und
für sich geringen Wendefeldes erforderlich sind.
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Auf dem Anker A der Maschine kann nun eine zweite Wicklung Z mit zugeordnetem
Stromwender angeordnet werden, um zur Ladung einer Batterie die erforderliche erhöhte
Ladespannung zu erhalten. Da die Leiterzahlen beide Ankerwicklungen in einem festen
Verhältnis zueinander stehen, so ist es offensichtlich, daß auch beide Spannungen
im Charakter sich ganz genau gleich verhalten werden.
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Auf dem Stromwender der Zusatzwicklung Z können nun wiederum zwei
Bürstensätze 3-3 in der neutralen Zone des Primärfeldes I und 4-4 in der neutralen
Zone des SekundärfeldesII angeordnetwerden(Abb.7), deren Ströme oder Spannungen
in gleicher Weise wie die entsprechenden Bürstensätze i-i oder 2-2 des Hauptankers
A zur Sekundär- oder Primärerregung der Maschine entweder allein oder zu beiden
gemeinsam verwandt werden (Abb. 7). Man kann außerdem den Strom der Bürsten 3-3
zur Sekundärerregung oder Primärerregung durch die Wicklungen a oder a' oder auch
beide Wicklungen senden und die Bürsten i-i des Hauptstromwenders fehlen lassen,
oder umgekehrt, d. h. die Bürsten 3-3 fehlen lassen und nur die Bürsten i-i des
Hauptankers A zur Sekundärerregung oder Primärerregung verwenden, oder man kann
zwei weitere Wicklungen x" und d" auf den Polen anbringen und durch diese Wicklungen
ä' und ä" den Strom der Bürsten 3-3 schicken, während durch die Wicklungen a und
a' der Strom der Bürsten i-i fließt; es sind also in .diesem Falle die Ströme beider
Bürstensätze zur gemeinsamen Primär- und Sekundärerregung verwandt (Abb. 8). Das
gleiche gilt von den Bürstensätzen 2-2 oder 4-4 in bezug auf die Gegenerregung.
Es kann also die Spannung eines Bürstensatzes 2-2 oder 4-4 allein durch die Gegenerregerwicklung
c oder c' oder beide Wicklungen gesandt werden, oder beide Bürstensätze 2-2 bzw.
4-4 können zur Gegenerregung verwandt werden, wobei in letzterem j Falle dann zwei
weitereWicklungen c" und c"' Verwendung finden (Abb.7 und 8).
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Soll von den Nutzbürsten 4-4 der Zusatzwicklung Z Arbeitsstrom entnommen
werden, so ist es erforderlich, diesen durch eine zweite Hauptstromwicklung zu leiten,
die ihrerseits der Ankerrückwirkung der Zusatzwicklung Z das Gleichgewicht hält
oder diese überwiegt oder geringer ist, um auch hierfür Über- oder Unterkompensierung
zu erhalten.
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Eine weitere Ausführung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß
man auf einem Anker nicht Haupt- und Zusatzwicklung anbringt, sondern bei großen
Maschinensätzen aus Gründen der Verbilligung eine Hauptmaschine und eine Erregermaschine
anordnet. Hierbei ist die Hauptmaschine nur mit den Nutzbürsten 2-2 versehen, während
die Erregermaschine Haupt- und Hilfsbürsten 3-3 und 4-4 besitzt und der Strom der
Bürsten 3-3 einmal für die eigene Primär- oder Sekundärerregung oder für beide Erregungen
verwandt ist und außerdem zur Sekundär- oder Primärerregung oder beiden Erregungen
der Hauptmaschine verwandt wird, während die Spannung der Bürsten 4-4 zur Gegenerregung
der Erregermaschine und der Hauptmaschine dient. Zur Verstärkung der Gegenerregung
kann natürlich auch die Spannung der Nutzbürsten 2-2 der Hauptmaschine entsprechende
Verwendung bei der Hauptmaschine selbst und auch bei der Erregermaschine finden
(Abb. g).
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Will man die Maschine als Motor verwenden, so kann dies dadurch geschehen,
daß man die Stromquelle an die Bürsten i-i in der neutralen Zone des Primärfeldes
legt und die verschiedenen auf den Primärpolen P angebrachten Wicklungen
a' c' b und H sinngemäß so schaltet, daß man entweder einen Hauptmotor
bei Verwendung der Hauptstromwicklung H erhält oder einen Nebenschlußmotor bei Verwendung
der Primärwicklung b oder a' oder einen Verbundmotor bei entsprechender
Schaltung beider Wicklungen (Abb. io). Die Gegenerregerwicklung c' kann dabei an
den Bürsten 2-2 liegenbleiben und zur verstärkenden Erregung bei halber Spannung
Verwendung finden; denn da der Motorstrom jetzt in umgekehrter Richtung den Anker
durchläuft, so fließt der Strom in dieser Wicklung jetzt nicht mehr in entmagnetisierendem
Sinne durch diese Wicklung, sondern magnetisierend, d. h. so, daß er das normale
Feld verstärkt (Abb. io).
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Man kann aber auch die Stromquelle an die Bürsten 2-2 in der neutralen
Zone des Sekundärfeldes schalten und die auf den Sekundärpolen p angebrachten Wicklungen
a und c sinngemäß so mit diesen Bürsten und der Stromquelle verbinden, daß bei Verwendung
der Gegenerregung c ein Nebenschlußmotor entsteht, oder, falls die Erregerwicklung
a bei Lauf als Dynamo mit wenigen Windungen, d. h. nur zur Verstärkung des Sekundärfeldes
ausgebildet war, diese zur Hauptstromerregung verwenden oder beide Wicklungen zur
Compoundierung des Motors heranziehen, wobei die auf den Primärpolen P bei Lauf
als
Dynamo angebrachten Wicklungen a', c', H, b abgeschaltet
bleiben (Abb. i i).
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Eine weitere Ausbildung besteht darin, daß, wenn bei Verwendung als
Dynamo Haupt-und Hilfswicklung auf dem Anker vorhanden war, eine oder beide Wicklungen
in Parallel-oder Hintereinanderschaltung vom Motorstrom durchflossen sind und die
Motorerregung dementsprechend entweder einer oder beiden Ankerwicklungen zugeordnet
ist, und zwar derart, daß entweder die Wicklungen a', a', c', c"', H, b auf
den Primärpolen mit den Bürstensätzen i-1 oder 3-3 in der neutralen Zone des Primärfeldes
und der Stromquelle entsprechend verbunden werden, um einen Aauptschluß, Nebenschluß-
oder Compoundmotor zu erhalten, wobei die Wicklungen u., a', c, c" auf den
Sekundärpolen p abgeschaltet sind, oder zu demselben Zweck die Wicklungen
a, cä', c, c" auf den Sekundärpolen p mit den Bürstensätzen 2-2 oder
4-4 in der neutralen Zone des Sekundärfeldes und der Stromquelle verbunden werden,
während die Wicklungen a', a', c c`, b, H abgeschaltet sind.