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Wechselstrom-Repulsionsmotor Gegenstand vorliegender Erfindung ist
ein Wechselstrom-Kollektormotor mit der Eigenschaft, daß sein Ankerstrom nicht wie
in gewohnter Weise vermittels zweier Schleifbürsten pro Polpaar durch den Kollektor.
zu- oder abgeleitet wird, sondern von einer einzigen Bürste direkt umgeleitet wird.
Naturgemäß eignet sich hierfür nur der Repulsionsmotor mit Ankerkurzschluß, insbesondere
der unter dem Namen »Atkinson-Motor« bekannte, indirekt gespeiste W.echselstrommotor
sowie der Sonderfall eines Mobars mit Läufererregung. -Beim Vergleich zwischen Einphasen-Asynchronmotor
und Einphasen-Kollektormotor fällt immer zuungunsten des letzteren hauptsächlich
die aus verschiedenen Gründen nachteilige Wirkung der Bürsten ins Gewicht. Es treten
am Kollektor .leicht Funken auf, die einen zerstörenden Einfluß ausüben und über
kurz oder lang Wiederinstandsetzungskosten verursachen. In dieser Beziehung ist
de. baulich sonst sehr einfache Repulsionsmotor seiner verwickelten Kommutationsverhältnisse
halber besonders empfindlich.
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Ohne an dieser Stelle auf diese Verhält= nisse näher einzugehen, sei
vorerst an Hand der Abb. t dargestellt, welchen Weg der Ankerstrom in einem gewöhnlichen.
zweipoligen Repulsiorismotor außerhalb des Ankers (Rotors) durchläuft. Es ist daraus
ersicht-]ich, daß der Ankerstrom, J die beiden Bürsten der Länge nach durchfließen
muß und hierbei einen nutzlosen Spannungsverlust erleidet, welcher dem Ankerstrom
und dem Längswiderstand der beiden Bürsten proportional ist und den Wirkungsgrad
verschlechtert. Mit Rücksicht hierauf darf deshalb das Bürstenmaterial einen nicht
zu hohen spezifischen. Widerstand haben. Im Interesse einer günstigen Kommutation
wäre aber erforderlich, daß das Bürstenmaterial einen möglichst hohen spezifischen
Eigenwiderstand hätte, um die schädlichen Kurzschlußströme der Ankerspulen möglichst
klein zu halten, was jedoch mit dem Vorhergesagten nicht im Einklang steht.
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In Abb. 2 ist schematisch eine neue Ankerschaltung dargestellt, welche
zeigt, wie der Ankerstrom im Anker, selbst für einen bestimmten Moment, vermittels
Diametralverbindungen umgeleitet werden kann. Diese Verbindung ist keine Äquipotentialverbindung,
sondern eine Diapotentialverbindung, d. h. sie verbindet Punkte entgegengesetzten
Potentials der Ankerwicklung unter einer einzigen Bürste B. Vom Punkte
d der Ankerwicklung fließen die Ankerströme J/2 zusammen durch diese Diapotentialverbindung
in das Segment b, welches zwischen zwei aufeinander,-folgenden Segmenten a und c
liegt, die zum entgegengesetzten Wicklungsabschnitt gehören.
Punkt
d braucht nicht genau in der Mitte der Wicklung, d. h. symmetrisch zu a und c liegen,
sondern kann je nach dem zu erreichenden Zweck links oder rechts verschoben werden.
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Abb.3 ist eine Weiterbildung von Abb. 2 und zeigt, wie sich die Stromumleitung
(nicht Stromwendung in den einzelnen Ankerspulen) im Anker während dessen Drehung
stetig vollziehen kann. Im Prinzip wird also bei einem gewöhnlichen Anker mit geschlossener
Wellen- oder Schleifenwicklung anstatt jede Ankerspule an zwei benachbarten Kolle'ktorsegmenten
anzuschließen, nur jede zweite Spule angeschlossen und dabei ein Kollektorsegment
übersprungen. Das zwischenliegende Segment wird alsdann durch eine Verbindung mit
einem um z8o elektrische Grade von dessen bisher üblichen Anschlußpunkt entfernt
liegenden Punkt der Ankerwicklung verbunden. Dieses Verfahren wird rings der ganzen
Ankerwicklung ausgeführt, so daß. auf dem Kollektor Segmente entgegengesetzten Potentials
aufeinanderfolgen. Durch den Ankerkurzschluß ist das Potential der induzierten Ankerwicklung
ohnehin annähernd Null, d. h. bis auf den Spannungsabfall unter und in der Bürste,
welcher unabhängig vom Strom J ist und etwa z bis 3 Volt beträgt.
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Unter der Annahme, daß die nun erforderliche einzige Bürste in Abb.
4 gleichzeitig genau drei Segmente bedecken würde, ergäbe -sich alsdann das darin
dargestellte Strombild. Der Ankerstrom J, welcher in, Verbindung mit dem Erregerfluß
das Drehmoment des Ankers bildet, teilt sich nach Verlassen des Segments b in der
Bürste (z. B. Kohle) in zwei Teile und fließt alsdann durch die Segmente a und c
in die Wicklung -zurück. Der Ankerstrom J hat also wie bisher zweimal den Übergangswiderstand
zu überwinden und zum Teil das sehr kurze Stück Bürstenmatterial von Segment -zu
Segment. Aus der Bürste fließt daher kein Strom ab, und diese benötigt dann auch
keine Verbindung nach außen vermittels Kabel, sondern braucht auf dem Kollektor
nur richtig aufzuliegen. Hat die Bürste, wie in Abb.4, eine Breite vors gleich drei
Segmenten, so ergibt sich beim Übergang auf das vierte Segment naturgemäß eine andere
Stromverteilung, welche ohne Berücksichtigung der Stromwendeströme eine maximale
Belastung von etwa J/--> .pro -Segment ergäbe. Diese Stromverteilung wird aber aufgehoben,
da sich zu den Ankerströmen in der Bürste und den Segmentery die Wendeströme geometrisch
addieren.
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Wie aus Abb. 5 ersichtlich ist, haben beispielsweise die Wendeströme
im gleichen Moment, wie in Abb. 4, den punktierten Verlauf. Im Falle, daß die .Bürste
wiederum drei Segmente bedeckt, wird gleichzeitig nur -eine Spule kurzgeschlossen,
und die resultierende Kurzschlußwende EMK erzeugt eben diesen Strom, welcher in
diesem Falle zwei parallele Wege hat. Weg l geht quer durch die ganze Bürste und
Weg II über das mittlere Segment mit vier Übergangsstellen. Wären diese beiden Wege
gleichwertig, so würde sich der Kurzschlußstrom ungefähr in zwei gleiche Teile teilen,
wenn nicht auch noch die Anker-. ströme vorhanden wären.
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Hätte nun die Bürste einen sehr hohen, aber stetigen Querwiderstand,
so würde der TeilI des Wendestromes sehr klein und nur Teil II, dessen Widerstand
sich aus vier übergangswiderständen und zwei kurzen überbrückungswiderständen in
der Bürste selbst zusammensetzt, würde den Wendestrom in seiner Stärke herabsetzen.
Damit wäre der Zweck der Schaltung erreicht, die überaus schädlichen Wendeströme
zu dämpfen, ohne indessen den Ankerstrom zu beeinflussen, denn dieser braucht, wie
gezeigt, die einzige Bürste nicht der Länge nach (radial) durchfließen. Der hohe
spezifische Widerstand der Bürste hat somit einen verschwindend kleinen Einfluß
auf den Wirkungsgrad. Durch geschickte Anordnung der Ankerwicklung und entsprechend
genauer Bürstenbreite kann zudem eine teilweise Kompensafion zwischen Ankerstrom
und Wendestrom erreicht werden, so daß die Wirkung dieser Schaltung noch erhöht
wird.
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Grundsätzlich sind zwei Schaltungen möglich, welche nur wenig voneinander
abweichen. In Abb. 5 sind die sogenannten Diapotentialverbindungen jeweils in der
Mitte einer gegenüberliegenden Ankerspule angezapft, was jedoch nicht .Bedingung
»ist. Zu einem ;ähnlichen Resultat kommt man, wenn dieser Anzapfpunkt direkt mit
einem -links -oder rechts davon liegenden Segment verbunden wird oder sonst zwischen
den Segmenten e und g.
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Vorstehend beschriebene Anordnung läßt sich zweckentsprechend nicht
nur für zweipolige Maschinen anwenden, sondern sinngemäß auch für mehrpolige Maschinen
mit Schleifen- oder Wellenwicklung. Wie eingangs erwähnt, eignet sich diese Anordnung
der Ankerschaltung auch für einen Motor mit unabhängiger Läufererregung, indem durch
eine weitere (zweite) Bürste C, Abb. 6, welche um 9o° elektrisch gegen die Hauptbürste
B (Arbeitsbürste) verschoben ist, -der nötige Erregerfluß vom Anker aus erzeugt
werden kann. Dieser Motor erreicht alsdann nur mit zwei Bürsten das, was sonst mit
vier -Bürsten (bei zweipoligem Motor) erreicht wird, nämlich Nebenschlußcharakterstik
bei sehr günstigem cos y.. Zum Anlauf kann die
Erregerbürste C abgehoben
und -zugleich die Arbeitsbürste B in eine günstigere Arbeitsstellung verschoben
werden. Nach dem Anlauf wird B wieder in die Arbeitsstellung verschoben und gleichzeitig
C aufgelegt.
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Durch diese Schaltungsanordnung mit Diapotentialverbindungen bei Repulsionsmotoren
wird neben einer Vereinfachung eine bedeutende Steigerung der spezifischen Polbelastung
von Wechselstrommotoren .erreicht, und außerdem werden die Betriebskosten verringert.
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Eine Abänderung der erstbeschriebenen Schaltung eignet sich besonders
für größere Motoren und bietet gewisse Vorteile.
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In Abb. i sehen wir, daß sich die Ankerspannung auf dem Kollektor
von einer Bürste zur anderen ungefähr gleichmäßig verteilt. Die Segmentspannung
erreicht dabei einen Wert, welcher bekanntlich aus verschiedenen Gründen eine bestimmte
Größe nicht überschreiten darf. Maßgebend hierfür ist vor allem das Bürstenmaterial
und der Abstand der einzelnen Segmente voneinander.
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Wir können uns nun eine bestimmte Ankerwicklung (z. B. zweipolige),
wie in Abb.7 dargestellt, in zwei kongruente Wicklungen zerlegt denken, von denen
jede einen besonderen Kollektor hätte. Der Ankerkurzschluß muß alsdann durch je
zwei diametrale Bürsten bewerkstelligt werden. Es besteht aber bekanntlich die Möglichkeit,
diese beiden Kollektoren zu einem Kollektor zu vereinigen und die beiden Ankerwicklungen,
wie Abb. 8 zeigt, an diesen anzuschließen. Abwechslungsweise werden nun je zwei
aufeinanderfolgende Segmente des gemeinsamen Kollektors mit einem Knotenpunkt der
beiden Ankerwicklungen in der üblichen Weise verbunden. Es sind alsdann bei dieser
Schaltung nur zwei Bürsten nötig, welche miteinander verbunden werden, um den Anker
kurzzuschließen. Ist der Wicklungssinn beider Wicklungen gleich, so fließen die
zugehörigen Ströme unter einer Bürste zusammen und nehmen den Weg von der einen
Kurzschlußverbindung zur andern. Ist dagegen der Wicklungssinn der beiden Wicklungen
entgegengesetzt, so verlaufen die Ströme, wie es in Abb. 9 für einen bestimmten
Moment dargestellt ist, nicht mehr durch die äußere Bürstenverbindung, sondern nehmen
den Weg unter den Bürsten, direkt von einer Wicklung zur andern. Es tritt der Fall
ein, daß die EMK beider Wicklungen nicht, wie in Abb. 8, parallel, sondern in Serie
geschaltet sind und zugleich kurzgeschlossen werden. Die äußere Verbindung der beiden.
Bürsten muß somit weggelassen werden. Unter diesen j Umständen ergibt sich in den
beiden Ankerwicklungen ein Strombild, wie es Abb. i o darstellt. In Wirklichkeit
brauchen es nicht zwei besondere Wicklungen zu sein, sondern der Anker wird mit
einer gewöhnlichen Wicklung versehen, bei der jedoch die einzelnen Ankerspulen abwechslungsweise
zu je einer Wicklung verbunden werden, so daß das Strombild Abb. 9 entsteht.
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Die Kommutationsverbältnisse bleiben hierbei die nämlichen, wie vorstehend
eingehend beschrieben, mit dem einzigen Unterschied, daß sie sich unter zwei Bürsten
abspielen anstatt unter einer, und daß dadurch das Maximum der Anker-EMK halbiert
und somit auf die Hälfte der Kollektorsegmente verteilt wird. Die Bürsten müssen
auf dem Kollektor sorgfältig aufliegen, was durch bekannte Konstruktionen sehr gut
erreicht werden kann.