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Einrichtung zur Verbesserung der Komtnutierung bei wendepollosen Komtnutatormaschinen.
schlossen ist. Das Prinzip der Erfindung soll nun an Hand der schematischen Darstellung
der Abb. i erläutert werden. In dieser Abbildung stellen TV, WI, WII usf.
Windungen der kommutierenden, als Gleichstrornschleifenwicklung ausgeführten Wicklung
S; I(, KI, I(11 usf. die zugehörigen Kommutatorstege und B die auf dem Kommutator
schleifende Bürste dar. An die Kommutatorstege ist nun außer der Hauptwicklung noch
eine Hilfswicklung, die aus den Spulen HI, H11, HmI usf. besteht, angeschlossen.
Jede dieser Spulen ist zwischen je zwei benachbarte Kommutatorstege, z. B. HI zwischen
KI und K°, HII zwischen KII und KIII usf., eingeschaltet. Je zwei benachbarte Hilfswicklungssysteme
sind nun -mit einem gemeinsamen magnetischen Kreis verkettet, z. B. HI und
HII mit T1, HIII und HIV mit TZ usf. Es bilden also je zwei der Hilf swicklungssysteme
die Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators mit dem Übersetzungsverhältnis
i : i. Bei der gezeichneten Stellung der Bürste B kommutiert eben die Windung 1V1.
Parallel geschaltet mit dieser Windung ist das Wicklungssystem HI des Transformators
T. Vernachlässigt man die Selbstinduktion von III, die ja nur durch Streufeldbildung
zwischen HI und HII bedingt ist, so besitzt HI bloß den induktiven Widerstand des
Sekundärkreises des Transformators T, dessen Primärwicklung HI darstellt (Übersetzungsverhältnis
i : i). Die Sekundärwicklung HII ist nun über die Stege KII, KIu und die zu diesem
Die Erfindung hat eine Wicklungsanordnung zum Gegenstand, die eine wirksame Herabsetzung
der Reaktanzspannung der Kommutation und damit eine günstige Beeinflussung der Kommutationsverhältnisse
von wendepollosen Kollektormaschinen irgendwelcher Art zu erzielen gestattet. Die
am Schlusse der Beschreibung erläuterte besondere Ausführungsform der Erfindung
gestattet auch eine wirksame Herabsetzung der auf die Bürsten von Wechselstrom-
oder Drehstromkollektormaschinen wirkenden Transformatorspannung. -Statt der Wendepole,
welche eine der Reaktanzspannung der Kommutation entgegengerichtete Spannung der
kommutierenden Windungsgruppe erzeugen, wurden bereits verschiedene Mittel vorgeschlagen,
um die Selbstinduktion der kommutierenden Windungen herabzusetzen und dadurch die
Reaktanzspannung auf zulässige Werte herabzudrücken. Erwähnt sei beispielsweise
die Anwendung von Dämpferwicklungen, von Widerstandsverbindungen zwischen den Kommutatorstegen
usw. Alle diese Mittel beruhen darauf, die Änderung der kommutierurgsstörenden Felder
durch die Möglichkeit der Ausbildung von Ausgleichsströmen herabzusetzen.
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Die Erfindung geht nun einen anderen Weg. Verwendet wird ein zu der
Hauptwicklung parallel geschaltetes Hilfswicklungss_vstem, das an die gleichen Kommutatorstege
ange-
Zeitpunkt nicht kommutierende Windung Wll der Hauptwicklung
kurzgeschlossen. Die Gesamtinduktivität des Sekundärkreises und damit auch des Primärkreises
wird also, da die Selbstinduktion von Hf ebenfalls vernachlässigbar ist, dargestellt
durch die Selbstinduktion der Windung WII. Da nun die Selbstinduktion der Windung
Wll gleich der kommutierenden Windung WI ist, ergibt die Parallelschaltung der Hilfswicklung
HI mit WI eine auf die Hälfte reduzierte Gesamtreaktanz des kommutierenden Systems.
Selbstverständlich ist hierbei Voraussetzung, daß Wll mit einem von WI getrennten
magnetischen Kreis für die kommutationsstörenden Felder verkettet ist, mit anderen
Worten, daß W° in anderen Nuten liegt als Wl. Die Anordnung kann nun auch ohne weiteres
so getroffen werden, daß mehr als zwei Hilfswindungsstems noch wesentlich weiter
getrieben wird werden, wodurch dann die Parallelschaltung von ebensoviel Windungen
der Hauptwicklung in der Kommutationsperiode erreicht wird. Die Reaktanzspannung
der Kommutation kann auf diese Weise (d. i. durch Parallelschaltung von drei, vier
usf. Windungen) auf 4 usf. der Reaktanzspannung einer Windung herabgesetzt werden.
Die Zahl der miteinander transformatorisch zu koppelnden Spulen der Hauptwicklung
ist nur dadurch begrenzt, daß Spulen, die allzuweit in bezug auf das Hauptfeld räumlich
und damit elektrisch gegeneinander verschoben sind, auch indirekt nicht ohne weiteres
parallel geschaltet werden dürfen, z. B. Windungen außerhalb der neutralen Zone
von Gleichstrommaschinen. Die Hilfswicklungen HI, H° usf. stellen ein geschlossenes
Wicklungssystem dar, das parallel zu der Hauptwicklung der Maschine geschaltet ist.
Die Wicklungen entnehmen der Hauptwicklung den Magnetisierungsstrom der Transformatoren,
der verhältnismäßig niedrig ist in Anbetracht der gegenüber der Hauptwicklung im
allgemeinen groß zu wählenden Windungszahl der Hilfswicklungen. Abgesehen davon
können die Transformatoren, die in den weiter unten näher beschriebenen Ausführungsformen
miteinander vereinigt werden, mit geringem magnetischen Widerstand versehen sein,
um so mehr, als sie im allgemeinen keinen Luftspalt enthalten und geschlossene Eisenkerne
bilden. Der Magnetisierungsstrom der Transformatoren ist außerdem von der Periodenzahl
unabhängig, da sich proportional mit der Periodenzahl des Hauptankers auch dessen
Windungsspannung ändert, die zugleich auch die der Hilfswicklung aufgedrückte Spannung
ist. Im Synchronismus und in Synchronismusnähe ist nur der Ohmsche Widerstand der
Hilfswicklung für den in ihr fließenden Strom maßgebend. Selbstverständlich ist
infolge des geringen Kupferquerschnittes, mit dem die Hilfswicklungen ausgeführt
werden, abgesehen von deren verhältnismäßig höherer Windungszahl, ihr Widerstand
im Verhältnis zum Widerstand des Hauptankers so groß, daß der durch die Hilfswicklung
fließende Strom und seine Verluste praktisch vernachlässigbar klein werden.
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Die Abbildungen stellen Ausführungsformen der im vorstehenden prinzipiell
erläuterten erfindungsgemäßen Anordnung dar. Die Abb. 2, 2a und 2b zeigen eine Ausführungsform
für den magnetischen Kreis der Hilfstransformatoren und die Anordnung der Hilfswicklungen.
T stellt die Vereinigung sämtlicher Kopplungstransformatoren der Maschine dar. Die
Hilfswindungen HI und IIll sind um einen gemeinsamen Kern Tkzl des Transformators
gewickelt. Sämtliche Kerne Thl, Tkl usf. sind durch gemeinsame Joche 1,
und
1" (Abb. 2a und 2b) miteinander verbunden. Auf diese Weise erhalten alle in der
Maschine vorhandenen Hilfstransformatoren einen gemeinsamen magnetischen Rückschiuß.
Abb.2a stellt einen schematischen Längsschnitt durch die Maschine dar, aus dem eine
der baulichen Ausführungformen des gemeinsamen Hilfstransformators T in der Maschine
ersichtlich ist. Dieser befindet sich, wie Abb. 2a zeigt, unterhalb der Spulenköpfe
und Ausleitungen der Hauptwicklung S zwischen Kommutator K und Ankerkörper A.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Hilfswicklung
als Gleichstromwicklung, die in eigenen hierfür bestimmten Nuten untergebracht ist,
ausgebildet (Abb. 3 und 3a). Die transformatorisch miteinander gekoppelten Spulen
HI, HIl bzw. HIII, HIV usf. sind nunmehr als Windungen oder Windungsgruppen einer
Gleichstromwicklung ausgeführt und werden gruppenweise in gemeinsame Nuten N1 und
N,' oder N2 und N2 (Abb. 3a) gelegt. Sie sind durch die Lage in den gleichen Nuten
praktisch streuungsfrei miteinander transformatorisch verkettet. Die durch -die
beiden angeführten Spulen der Hilfswicklung HI und HIr miteinander verbundenen Windungen
der Hauptwicklung WI und Wll liegen, wie bereits erörtert, in verschiedenen Nuten
des Hauptankers. Bei der gezeichneten Anordnung, die nur je einen Stab pro Lage
der Hauptwicklung enthält, ergibt sich die halbe Nutenzahl für die Hilfswicklung,
wobei vorausgesetzt wird, daß nur je zwei Windungen der Hauptwicklung miteinander
transformatorisch verbunden werden. Werden mehr Windungen der Hauptwicklung -miteinander
verbunden, so vermindert sich die Nutenzahl der Hilfswicklung dementsprechend. In
Abb. 3a ist der
magnetische Kreis der Hauptwicklung -(27 eingezeichnet
und die magnetischen Kreise der Hilfswicklung T, für das System HI, HII und T. für
das System HIII, HIV. Wie ersichtlich, stimmen die beiden magnetischen Kreise weitgehend
miteinander überein, so daß auch zwischen nicht in gleichen Nuten liegenden Spulen
der Hilfswicklung eine weitgehende transformatorische Verkettung vorhanden ist.
Es wird also auch eine Übertragung der Ausgleichsströme zwischen nicht unmittelbar
miteinander verbundenen Wicklungssystemen herbeigeführt werden, so daß die Verminderung
der Ablaufspannung des kommutierenden Systems noch wesentlich weiter getrieben wird
als bei Anordnung vollständig getrennter magnetischer Kreise.
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Die Anordnung des magnetischen Kreises für die nunmehr zu einer Gleichstromwicklung
vereinigten Hilfswicklungen kann z. E. nach Abb. d. mit Hilfe eines eigenen Hilfsankerkörpers
A" erfolgen, der wie früher zwischen Kommutator IL und Hauptanker .3 unterhalb der
Hauptwicklung S und deren Ausleitungen angeordnet ist. Statt dessen ist es auch
möglich, die Nuten der Hilfswicklung in den Hauptankerkörper selbst zu legen, wie
in Abb. 5 angedeutet. Die Nuten N der Hilfswicklung werden als geschlossene Nuten,
getrennt von den Hauptnuten, untergebracht, derart, daß sich die magnetischen Kreise
T in der bezeichneten Weise ausbilden können. Der Rückschluß des Hauptfeldes
(77 und des Hilfsflusses T erfolgt gemeinsam im Rücken des Hauptankers.
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Eine grundsätzlich andere Anordnung für die magnetischen Irreise der
Hilfswicklungen wird durch die Anordnung der Abb.6 erreicht. In dieser bedeuten
lI7I und lT'Il zwei Windungen der Hauptwicklung, die der übersichtlichkeit halber
allein herausgezeichnet sind. Diese Windungen befinden sich in verschiedenen Nuten
N1, N, bzw. N,', N.' und sollen mit Hilfe der Hilfswindungen HI und
HII miteinander transformatorisch verbunden werden. Die beiden Hilf swindungssysteme
HI und Hl!- «-erden nun in entsprechend gelegene Hauptnuten eingelegt (z. B. auf
deren Grund), und zwar in solche Nuten, die die Ausbildung eines getrennten magnetischen
Kreises für die Hilfswicklung ermöglichen. In der Abbildung ist die Hilfswicklung
mit verkürztem Wicklungsschritt ausgeführt. Die beiden Hilfswicklungssysteme HI
und H° liegen nun in gemeinsamen Nuten IV, und A', innerhalb der Nuten N1, N, und
N,', N,'. Der magnetische Kreis, der sich für den durch HI und HII gebildeten Transformator
ergibt, ist ebenfalls in der Abbildung eingezeichnet und mit T, bezeichnet. Er schließt
sich über den Ständer St und dem Luftspalt der Maschine in der angedeuteten Weise.
Da das Feld innerhalb der Windungen der Hauptwicklung den Luftspalt zweimal überschreitet,
d. h. sich vollständig innerhalb der Windungen schließt, übt es keine induzierende
Wirkung auf die Hauptwicklung aus und kann sich ungehindert ausbilden. Die Wirkung
dieses Feldes äußert sich bloß in einer Deformation der örtlichen Verteilung des
Hauptfeldes. Die Hilfswicklung liegt also mit der Hauptwicklung in gemeinsamen Nuten.
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Wird nun überdies der Wicklungsschritt der Hilfswicklung, deren Windungszahl
und Lage so eingerichtet, daß die in dem betreffenden Windungssystem vom Hauptfeld
induzierte Spannung gleich der Spannung ist, welche in der zugehörigen Hauptwindung
induziert wird, so treten außerhalb der Kommutationszone keine Magnetisierüngsströme
oder Augleichsströme zwischen Haupt-und Hilfswindung mehr auf. In der Abbildung
ist die Anordnung so angedeutet, daß die Hauptwicklung als Durchmesserwicklung ausgeführt
ist, während der Wicklungsschritt der Hilfswicklung auf 1/. verkürzt wird und die
entsprechenden Hilfswicklungen in die Mitte symmetrisch zwischen die zugehörigen
Hauptwindungen gelegt werden. Wird nun die Hilfswicklung mit doppelter Windungszahl
ausgeführt wie die Hauptwicklung, so ist die in der Hilfs- und Hauptwicklung induzierte
Spannung gleich. (Der von einer Windung mit auf 1/3 verkleinertem Wicklungsschritt
umfaßte maximale Kraftfluß ist bekanntlich 1/. des vollen Kraftflusses bei sinusförmiger
Feldverteilung.) Die letztere Anordnung ergibt, wie ersichtlich, auch die baulich
einfachste Lösung und erfordert nur die Anbringung einer zusätzlichen Hilfswicklung
in den Nuten der Maschine, ohne irgendwelche sonstige bauliche Änderungen derselben.
Durch entsprechende Abänderung der erläuterten Ausführungsformen läßt sich auch
die Wirkung der bei Wechselstrom- und Drehstromkollektormaschinen auftretenden Transformatorspannung
auf die Kommutation herabsetzen. Die Transformatorspannung entsteht bekanntlich
durch die Transformatorwirkung der Erregerwicklung in den durch die Bürsten während
der Kommutationsperiode kurzgeschlossenen Windungsgruppen außerhalb des synchronen
Laufes der Maschine. Erfindungsgemäß wird nun die auf die Bürsten wirkende Transformatorspannung
dadurch herabgesetzt, daß die zwischen je zwei benachbarten Kommutatorstegen entstehende
Transformatorspannung mit Hilfe von Zwischensegmenten in zwei oder mehrere Teile
geteilt wird. Entsprechend schmale Bürsten vorausgesetzt, wirkt dann auf die Bürste
nur der Teil der Transformatorspannung,
der zwischen den von der
Bürste gleichzeitig berührten Stegen wirksam ist. Die Einführung von Zwischenstegen
als solche wurde schon früher vorgeschlagen, der Anschluß derselben erfolgte jedoch
meist an Punkte der Hauptwicklung, z. B. an die vom Kommutator abgewandten Spulenenden.
Bei der Erfindung werden jedoch die Transformatorwicklungen, die zwischen zwei Kommutatorstegen
eingeschaltet sind, mit entsprechenden Anzapfungen versehen und an diese Anzapfungen
die Zwischenstege angeschlossen. Die prinzipielle Ausführungsform zeigt Abb. 7,
bei der das angedeutete Prinzip auf .die Anordnung der Abb. r angewendet erscheint.
Hier ist eine Teilung der normalerweise zwischen zwei benachbarten Kommutatorstegen
vorhandenen Transformatorspannung in drei Teile angenommen. Die Transformatorwicklung
HI erhält demnach zwei Anzapfungen b und c, an die die Zwischenstege KI, und KI,
angeschlossen sind. Je nachdem, ob nun die Bürste B so breit wie ein Kommutatorsteg
oder (wie gestrichelt eingezeichnet B') so breit wie zwei Kommutatorstege ist, wirkt
auf sie 1-/3 oder 2j, der gesamten Transformatorspannung et. Diese genannten Werte
müssen unterhalb der für den funkenfreien Gang der Maschine zulässigen Grenze liegen.
- Die Unterteilung kann natürlich beliebig weit getrieben werden, ohne daß sich
die sonstigen elektrischen Verhältnisse der Maschine ändern. Der Bürstenbetriebsstrom
Tb muß allerdings durch die Spannungsteilerwicklung hindurchtreten, wenn die Bürste
die Zwischenstege berührt. Da die Wicklungsabschnitte eines Spannungsteilers, in
diesem Fall z. B. die drei Abschnitte a-b, b-c, c-d von HI, den gleichen Ohmschen
und induktiven Spannungsabfall erhalten, so tritt auch eine gleichmäßige Aufteilung
des Bürstenhauptstromes auf, d. h. es wird sich der Strom nach beiden Richtungen
hin, entsprechend den eingeschalteten Widerständen, verzweigen. Es wird also bei
Stellung der Bürste B auf dem Segment KI, (Abb. 7a) -/3 des Bürstenstromes
Tb nach links und 1-/3 nach rechts fließen. Rückt die Bürste von KI. nach
KI, (Abb. 7b), so wird die Aufteilung des Stromes sich so ändern, daß % nach
links und 2/3 nach rechts fließen. Da bei den Stellungen der Bürste auf den Stegen
KI (Abb. 7) und KII' der ganze Strom unmittelbar in die Hauptwicklung eintritt,
wird die gesamte Kommutationsperiode genau so unterteilt, als ob die Zwischenstege
nicht da wären, die Hauptstege daher entsprechend breiter wären und die Kommutation
geradlinig vor sich ginge.
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Wesentlich ist nun, daß dem Durchtritt des Hauptstromes durch die
Spannungsteiler-Wicklung in den Zwischenstellungen der Bürsten kein induktiver Widerstand
entgegengesetzt wird, da dieser die Reaktanzspannung der Kommutation erhöhen würde.
Wird nun, was nach der Erfindung ohnehin der Fall ist, die ganze Wicklung HI, also
alle Teile der Spannungsteilerwicklung, mit einem gemeinsamen magnetischen Kreis
möglichst streuungsfrei verkettet, so wird der Betriebsstrom, der sich auf die Wicklungsteile
des Spannungsteilers aufteilt, gegenseitig sich aufhebende Amperewindungszahlen
hervorrufen. Steht z. B. die Bürste laut Abb-. 7a auf Kommutatorsteg KID, so fließt,
wie erwähnt, 2/3 des Betriebsstromes nach links, nach rechts. Die nach links fließenden
2@3 fließen durch halb soviel Windungen a-b wie das eine Drittel des Stromes, das
nach rechts fließt (b-c, c-d). Die Amperewindungszahl ist also in beiden Abschnitten
entgegengesetzt gleich. Das heißt, der Betriebsstrom ruft keine magnetisierende
Wirkung auf den magnetischen Kreis 7l hervor. Ein induktiver Spannungsabfall tritt
als Nebenerscheinung nur insoweit auf, als die Wicklungsabschnitte der Wicklung
HI gegeneinander Streuung besitzen. Selbstverständlich wird für die praktischen
Ausführungsformen die Streuung sehr gering, da ja die Wicklungsabschnitte auf dem
gleichen Kern unmittelbar aufeinandergewickelt werden, können oder in gemeinsame
Nuten gelegt werden. Selbstverständlich ist die Ausführung der durch Vorstehendes
grundsätzlich erläuterten Spannungsteilung auch für sich allein möglich, also ohne
die Verkettung verschiedener Windungen der Hauptwicklung, d. h. ohne die Einrichtung
zur Verminderung der Reaktanzspannung. In diesem Fall ist der magnetische Kreis
von HI von dem für HII getrennt auszuführen. Im allgemeinen wird jedoch die Verbindung
beider Grundprinzipien sich als zweckmäßig erweisen.
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Der bauliche Aufbau der Maschinen und auch des Hilfsankers bleibt
natürlich erhalten und entspricht den Abb. 2 bis 6, wobei immer nur entsprechende
Zwischenstege in den Kommutator einzuschieben sind. Wird die Hilfswicklung so, wie
oben erörtert, als geschlossene Gleichstromwicklung ausgeführt, so ergibt sich die
Ausführung nach Abb.8, die der Abb.3 entspricht. Nur sind hier für jede Gruppe HI,
HII usw. -je zwei Windungsgruppen oder je eine Anzapfung angenommen, an die j e
ein Zwischensteg angeschlossen ist, KID, K11, usf. Es ist also nur jeder zweite
Steg an die Hauptwicklung angeschlossen. Die hier durch die Spannungsteilung erzielte
Verminderung der Segmentspannung ist auf die Hälfte angenommen. Voraussetzung ist
hierbei, wie bereits erwähnt, daß die zu einer Spannungsteilergruppe, z. B. HI,
gehörenden
sämtlichen Windungen in einer gemeinsamen Nut untergebracht
sind, was ja auch bereits in Abb. 3ä angedeutet ist. Auch die Anordnung der Abb.
6 kann mit Spannungsteilung ausgeführt werden, wobei dann an die Punkte i', 2' der
Hilfswicklungsgruppen HI, HII usf. Zwischenstege angeschlossen werden, wodurch bei
der eingezeichneten Anordnung eine Spannungsteilung auf die halbe Spannung erzielt
wird.
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Eine weitere bauliche Anordnung zeigt Abb. 9. Hier ist der Hilfsanker
Ah, der die ebenfalls als Gleichstromwicklung ausgeführte Hilfswicklung H trägt,
so ausgeführt, daß die Hilfswicklung in offenen oder halb geschlossenen Nuten untergebracht
wird. Der Kraftfluß der Hilfswicklung schließt sich aber über den Ständer der Maschine,
der zu diesem Zweck über seine normale Länge hinaus verlängert ist. Um die wirksame
Mitarbeit der Hilfswicklung zu ermöglichen, kann auch in der Ständerverlängerung
St, eine Wicklung lT",, untergebracht werden, die ohne weiteres als Verlängerung
der normalen Ständerwicklung 117 ausgeführt werden kann. Die L#laschine besteht
dann aus zwei hintereinander angeordneten Teilen, die auf der gleichen Welle sitzen.
Der Hauptteil arbeitet __:it großem Kraftfluß pro Pol, der Hilfsteil einem entsprechend
der Spannungsteilung verringerten Kraftfluß. Die Transformatorspannung wird durch
den kleineren magnetischen Kraftfluß des Hilfsteiles bestimmt und kann daher unabhängig
von der Maschinengröße beliebig weit heruntergesetzt werden. Die Hauptwicklung ist
nur an einen Teil der Stege angeschlossen, die regelmäßig in gleichen Abständen
wiederkehren. Die Wicklung des Hilfsteiles führt während der Kommutationsperiode,
d. h. während des Überganges der Bürsten von einem zum nächsten Kommutatorhauptsteg,
kurzzeitig in dem zwischen die Hauptstege geschalteten Teil den Betriebsstrom der
Hauptwicklung. Im übrigen aber arbeitet der Hilfsteil wie eine selbständige, auf
der gleichen Welle sitzende Maschine. Diese Anordnung ergibt natürlich, wie alle
beschriebenen Anordnungen, auch bei entsprechender Schaltung und Lage der zwischen
je zwei Hauptstegen eingeschalteten Wicklungsteile gegeneinander die erörterte Herabsetzung
der Reaktanzspannung im Betrieb.