DE566956C - Kollektormaschine, deren Anker Gleichstromwellenwicklung besitzt - Google Patents

Description

Bei Kollektormaschinen werden normalerweise die kollektorseitigen Spulenköpfe so mit dem Kollektor verbunden, daß man sowohl am Anker- wie am Kollektorumfang um den gleichen Schrittwinkel vorwärts oder rückwärts schreitet, wenn man im Ankerstromkreis von einem kollektorseitigen Spulenkopf zum nächstfolgenden übergeht.

Für Maschinen zur Erzeugung von Wechselströmen beliebiger Frequenz und Phasenzahl ist auch bereits eine Schaltung 1 vorgeschlagen worden, bei der auf dem Kollektorumfang um einen größeren Schrittwinkel vorgerückt wird als auf dem Ankerumfang. Dies wurde dadurch ermöglicht, daß man bei Trommel- oder Schleifenwicklungen diejenigen Spulenköpfe verschiedener Pole, welche bei der Drehung unter sich stets gleiches Potential haben, durch Äquipotentialverbindungen miteinander verbindet und an eine gemeinsame Lamelle anschließt.

Weiterhin ist auch eine Maschine 2 mit einer Schleifenwicklung bekanntgeworden, deren Kollektorschrittwinkel nicht mit dem Schrittwinkel auf dem Ankerumfang übereinstimmt und deren Aufgabe darin besteht, analog dem Einankerumformer Wechselstrom in Gleichstrom umzuformen, wobei die zugeführte Wechselspannung und die abgegebene Gleichspannung jedoch voneinander unabhängig sind. Hier entsprechen den rechtsherum aufeinanderfolgenden Spulenköpfen linksherum aufeinanderfolgende Kollektorlamellen. Die Spulenköpfe und die Lamellen sind somit invers miteinander verbunden. Um an den stillstehenden Bürsten Gleichstrom abnehmen zu können, muß der Anker mit der halben Tourenzahl des Statordrehfeldes gleichsinnig umlaufen.

Auch findet sich in der Literatur eine Verallgemeinerung des obigen Gedankens, welche' in einer Schaltung 3 zum Ausdruck kommt, die sich ebenfalls auf Schleifenwicklung bezieht. Darin werden die Spulenköpfe der Ankerwicklung in so viel Gruppen zusammengefaßt, als Pole vorhanden sind, und jede Gruppe für sich invers an eine Gruppe gleichvieler Lamellen angeschlossen. Außerdem wird gezeigt, daß die Lamellenzahl bei Anwendung von Äquipotentialverbindungen auch ein ganzes Vielfaches der Spulenkopfzahl sein kann, und es wird die allgemeine Beziehung zwischen der dem Stator zugeführten Wechselfrequenz W₁, der an den stillstehenden oder umlaufenden Bürsten abgenommenen Frequenz W₂, der Tourenfrequenz v_B der Bürsten und derjenigen des Ankers v_a aufgestellt, die wie folgt lautet:

MZ₁ + κ · ü_ß + (κ — I)^a = W₂, dabei ist κ gleich dem Verhältnis zwischen

dem Schrittwinkel zweier aufeinanderfolgender Spulenköpfe und dem Schrittwinkel der zwei zugehörigen Lamellen, κ ist hier stets eine ganze positive oder negative Zahl.

Diese Maschine wird ebenfalls als Einankerumformer, als Periodenumformer und als Erregermaschine von Asynchrongeneratoren verwendet,
ίο Die vorhergenannte Maschine 2 ist ein Spezialfall (κ = — ι) der obigen 3.

Auch die Verhältnisse der Maschine 1 lassen sich durch obige Gleichung darstellen. Dabei sind für κ aber Werte kleiner als 1 ein- !5 zusetzen.

Die oben beschriebenen Kollektorverbindungsarten beziehen sich sämtlich auf Schleifenwicklungen. In vielen Fällen, besonders bei höheren Spannungen, ist es erwünscht, Wellenwicklung anwenden zu können. Dies ist nun bei den Maschinen 2 und 3, obwohl in der Literatur nicht angegeben, ebensogut möglich wie bei Schleifenwicklungen.

Hingegen ergeben sich bei der zuerst genannten Anordnung 1 größere Schwierigkeiten, indem man hier einzelne Polteilungen der Ankerwicklung ohne Verbindung mit dem Kollektor lassen muß, was in den Lamellenspannungen gewisse Unregelmäßigkeiten mit sich bringt, weil die Lamellenzahl nicht durch die Polzahl teilbar ist. Außerdem möchte man oft die Lamellenspannung reduzieren können, ohne deshalb die Ankerspulenzahl zu vermehren.

Der Erfindungsgegenstand gestattet nun, bei einer 2 ^-poligen Maschine die Lamellenspannung bei sonst unveränderten Wicklungsverhältnissen auf das —fache zu reduzieren.

Er wird im folgenden für ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung erläutert.

Ordnet man sämtliche Spulen einer einfachen 2 />_o-poligen Wellenwicklung in derjenigen Reihenfolge, wie sie auf dem Anker miteinander verbunden sind, in einem Ring an, so zeigt sich, wenn man die Potentiale der Spulenverbindungen für einen beliebigen Zeitmoment untersucht, daß das Potential im Ring unabhängig von der Polzahl nur einmal auf- und absteigt, so daß man zwischen den beiden Punkten maximalen und minimalen Potentials die bekannten zwei parallelen Stromzweige erhält.

Es liegt deshalb bei der Bestrebung, die Lamellenspannung zu verkleinern, nahe, die räumlich aufeinanderfolgenden Kollektorlamellen so mit den Spulenverbindungen zu verbinden, wie letztere im obenerwähnten Ring aufeinanderfolgen. Damit erhalten wir für den gezeichneten vierpoligen Anker mit 17 Nuten, 17 Spulen und 17 Lamellen folgendes Zahlenschema, welchem das Wicklungsschema Abb. ι entspricht.

Spulenverbindung zwi-

sehen den Nuten ... 17/4 8/12 16/3 7/11

Zugehörige Lamellen
bei bisherigen Maschinen 17 8 16 7

Zugehörige Lamellen gemäß Ausführungsbeispiel nach der Erfindung 17 16 15 14

Der Vergleich mit der bisherigen Ausführung zeigt, daß bisher die Spulenverbindungen an die räumlich ihnen zunächstgelegenen Lamellen, nach dem neuen Ausführungsbeispiel an diejenige Lamelle, welche neben der Lamelle der vorhergehenden Spulenverbindung liegt, angeschlossen werden.

Um den Spannungsverlauf der Spulenverbindungen und der zugehörigen Lamellen während der Drehung des Ankers besser verfolgen zu können, wurde in den Abb. 2a 8g bis 2d die Potentialkurve der Spulenverbindungen so auf dem Ankerumfang abgetragen, daß die Ordinaten den Radien entsprechen. Diese Potentialkurve hat bei allen Ankerstellungen eine gegenüber den Polen feste Lage, so daß deren Maxima und Minima, wie der Vergleich mit der Lage der Spulen in der neutralen Zone (Abb. 1) zeigt, über den PoI-mitten zu liegen kommen. Abb. 2a entspricht der Ankerstellung der Abb. 1, die Abb. 2b bis 2d je um 30 räumliche Grade nach rechts gedrehten Stellungen. Im Innern der Potentialkurve befindet sich der mit dem Anker fest verbundene Kollektor, dessen Lamellen nun entsprechend der Schaltung in Abb. 1 mit den auf der Potentialkurve eingezeichneten Spulenverbindungspotentialen verbunden sind, wodurch angedeutet werden soll, daß die betreffende Lamelle dasselbe Potential habe.

Aus diesen Abb, 2a bis 2d ersieht man nun, daß die Punkte höchsten und tiefsten Potentials auf dem Kollektor, an welchem der Gleichstrom abgenommen wird, sich im entgegengesetzten Sinne wie der Anker drehen, so daß der Bürstenbrücke eine entsprechende Drehbewegung erteilt werden muß.

Außerdem steigt nun die Kollektorpotentialkurve, trotzdem es eine vierpolige Maschine ist, nur einmal auf dem Kollektorumfang auf und ab.

Wie sich die Verhältnisse allgemein gestalten, ergibt sich nach folgender Überlegung, wobei noch folgende Bezeichnungen eingeführt werden: Polzahl der Ankerwicklung und des Gehäuses 2 p_a, Anzahl Spannungsmaxima und Minima der Kollektorpotentialkurve oder Anzahl Kollektorpole 2 p_k,

Umdrehungszahl des Ankers n_a, Umdrehungszahl der Bürstenbrücke n_b.
; Ein Bliek auf Abb. 2a bis ad zeigt, daß während einer Ankerumdrehung eine gegebene Spulenverbindung p_a-ma.\ das Spannungsmaximum und p_a-mal das Spannungsminimum durchläuft. Die zugehörige Kollektorlamelle macht diese Schwankung natürlich mit und muß also ebenfalls während einer Drehung

ίο des Ankers und somit des Kollektors />_u-mal das Maximum bzw. Minimum der Kollektorpotentialkurve, die aber auf dem Kollektorumfang nur p_k Maxima und p_k Minima besitzt und daher im Stillstand der betreffenden Lamelle nur p_k-mzl das Maximum bzw. Minimum erteilen könnte, durchlaufen. Damit also eine Lamelle bei einer Ankerumdrehung trotzdem />_B-mal über ein Maximum bzw. Minimum hinwegläuft, muß die Kollektorpotentialkurve ihrerseits relativ zum Anker und Kollektor ^ X «α Umdrehungen im

entgegengesetzten Sinne machen, so daß eine Lamelle während 1 Minute
.

Pk X j_k X η_Λ = φ_Λ Χ «.,-mal

über ein Maximum und ein Minimum hinwegläuft, was in bezug auf den Raum I — — i|y»,

Umdrehungen im entgegengesetzten Sinne ergibt.

Damit die Bürsten Gleichstrom abnehmen können, müssen sie konstant an der Stelle der Spannungsmaxima bzw. Minima sein; sie müssen also die Rotation der Kollektorpotentialkurve mitmachen. Es muß somit die Umdrehungszahl der Bürstenbrücke

n_b

sein, wobei — rnit Rücksicht auf die Bestrepk

bung, die Kollektorteilung zwischen einer po-

+5 sitiven und einer negativen Bürste groß zu machen, stets eine ganze oder gebrochene Zahl größer als 1 ist. Obige Formel ergibt, daß für

SO #fc ³

die L'mdrehungszahl der Bürstenbrücke entgegengesetzt gleich der Ankerumdrehungszahl ist, während für noch größere Verhält-

nisse — die Umdrehungszahl der Bürstenbrücke größer als diejenige des Ankers w^rird. Man wird mit Rücksicht auf die konstruktiven Schwierigkeiten daher die Kollektorpolzahl 2 p_k bei großer Ankerpolzahl 2 p_a nicht auf zwei beschränken, sondern auch größere Werte zulassen. Aus der eingangs erwähnten' Ringanordnung der Spulen läßt sich ersehen, daß der Kollektorschritf für

einen 2 ^-poligen Kollektor gleich — _g Kollektorlamellen beträgt (N^ = Kollektorlamellenzahl), während der Schritt der zugehörigen Ankerspulenverbindungen —

ist, wobei die Ankerspulenverbindungen N_a in gleicher W^eise wie die Lamellen nach ihrer räumlichen Aufeinanderfolge abzuzählen sind. p_a und pi, sind also unabhängig voneinander. Ist es mit Rücksicht auf die Stromstärke notwendig, zwei oder mehr geschlossene WeI-lenwicklungen anzuwenden, so erhalten wir bei 2 α parallelen Stromzweigen die Formeln

rar den Anker und — fur den

Kollektor. '

Um einer rotierenden Bürstenbrücke Strom abnehmen zu können, sind die Ströme aller positiven und negativen Bürsten zusammenzufassen und je zu einem Schleifring zu führen, von wo sie über ein weiteres Bürstenpaar zu den Klemmen gelangen.

Die Kupplung der Bürstenbrücke mit dem Anker zur Einhaltung des genauen Tourenverhältnisses muß mechanisch über Zahnräder oder elektrisch über einen von einer Hilfswicklung auf dem Anker gespeisten Synchronmotor geschehen.

Man kann nun mit obigem Anker in ähnlicher Weise wie mit demjenigen der Schaltung 3 alle die Kombinationen mit drehfeld- oder gleichstromerregten Statoren ausführen und erhält außer obiger Gleichstrommaschine Einanker und Periodenumformer.

Läßt man z. B. bei der obenerwähnten Gleichstrommaschine die Bürsten stehen und führt man dem Rotor über Schleifringe einen Mehrphasenstrom der Frequenz

ze¹, = - zu, so erhalten wir an den KoI-

lektorbürsten eine Wechselspannung der Frequenz W₂ = W₁ X (1—κ), wobei κ wieder gleich dem Verhältnis von Anker- zu Kollektorschrittwinkel gleich -¹ ist. Führt man den

Stator mit einer Drehfeldwicklung aus und führt man ihm einen Mehrphasenstrom der Frequenz W₁ zu, so erscheint an den Bürsten bei deren Tourenfrequenz v_B, bei einer Ankertourenfrequenz v_a die Frequenz W₂, welche mit den übrigen Größen wieder durch die obige Gleichung

(κ — ι) ν_α = W₂

verbunden ist. Insbesondere kann man wieder Mehrphasenstrom in Gleichstrom umformen, wobei die Bürsten stillstehen und die Primär- und Sekundärspannung voneinander

unabhängig sind. Die erforderliche Ankertourenfrequenz ist dabei für das oben dargestellte κ = ¹I₂ : v_a — 2 W₁, für % = — */₂ hingegen v_a = % W₁.

Claims (2)

1. Patentanspruch]·::

   i. Kollektormaschine, deren Anker Gleichstromwellenwicklung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die im Ankerstromkreis aufeinanderfolgenden Spulen einen Schrittwinkel miteinander bilden, der in einem konstanten Verhältnis

   κ = — kleiner als ι zum Schrittwinkel pa

   der zugehörigen Kollektorlamellen steht, wobei der Drehsinn der Aufeinanderfolge auf dem Anker und Kollektor gleich oder entgegengesetzt sein kann.
2. 2. Kollektormaschine nach Anspruch ι mit einem gleichstromerregten, mit ausgeprägten Polen versehenen Stator und mit einer im konstanten Tourenverhältnis zum Anker umlaufenden, mit Schleifringen zur Gleichstromabnahme versehenen Bürstenbrücke, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Schrittwinkelverhältnis κ und einer Ankertourenzahl n_a die Kollektorbürstenbrücke die Tourenzahl n_b = — n_a-

   I —— i) machen muß, welche, je nachdem \κ J '

   κ positiv oder negativ ist, entgegengesetzt oder gleichsinnig ist mit der Rotation des Ankers.

   3, Kollektormaschine nach Anspruch 1 mit einem gleichstromerregten, mit ausgeprägten Polen versehenen Stator und mit einer feststehenden Bürstenbrücke, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker zur Umformung von Wechselstrom der Frequenz W₁ in die Frequenz W₂ mit der Tou-

   renzahl n_a = —-— betrieben wird, wobei

   die Frequenz W₁ dem Anker über Schleifringe zugeführt und die Frequenz W₂ — (1 — κ) W₁ an den Kollektorbürsten abgenommen wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen