DE575780C - Einrichtung zur Stromwendung bei kollektorlosen elektrischen Maschinen, insbesonderebei elektrischen Wechselstrommaschinen mit umlaufender Feldwicklung und stationaererAnkerwicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stromwendung bei elektrischen Maschinen, insbesondere Wechselstromkommutatormaschinen, ohne Verwendung eines Kommutators der gewöhnlichen Bauart.

Bekanntlich ist es besonders bei Wechselstrommaschiiien, die einen Kommutator besitzen, schwierig, eine gute Stromwendung zu erhalten. Aus diesem Grunde wird gemäß der Erfindung insbesondere - für solche Maschinen eine besondere Stromwendeeinrichtung vorgesehen. Die Einrichtung gemäß der Erfindung könnte natürlich, ebensogut bei Gleichstrommaschinen Verwendung finden/

Bei Wechselstrornmaschinen mit Stromwender führt die Stromwenderwicklung nicht nur den vollen Nutzstrom in den durch die Stromwenderbürsten kurzgeschlossenen Spulen, sondern es tritt außerdem noch in den

so kurzgeschlossenen Spulen ein zusätzlicher Strom auf, der durch die Transformatorwirkung zwischen den kurzgeschlossenen Spulen und der Feldwicklung induziert wird. Der in den kurzgeschlossenen Spulen induzierte Strom besitzt gegenüber dem Nutzstrom eine Phasenverschiebung, so daß es nicht möglich ist, mit den .üblichen Stromwendeeinrichtungen das Feuern der Bürsten zu vermeiden. Der induzierte Strom ist besonders groß bei niedrige» Geschwindigkeiten; Auch hohe Spannungen" können bei den gewöhnlichen Stromwendeeinrichtungen nicht verwendet werden, da- sie den Strom für einen gegebenen Bereich erhöhen und damit auch das Bürstenfeuer erhöhen. Verschiedene Einrichtungen wurden nun bereits vorgeschlagen, die Stromwendung zu verbessern. Keine dieser Einrichtungen aber hatte wirklichen ' Erfolg, da sie alle nur den induzierten Strom verminderten und keine von ihnen den induzierten Strom beseitigte.

Die gewöhnliche elektrische Maschine mit Stromwender wicklung besitzt eine stationäre Feldwicklung, die mit dem Netz verbunden ist, eine umlaufende Stromwenderwicklung und stationäre Kommutatorbürsten. Die Wicklungen können natürlich auch vertauscht werden, d. h. es kann die Feldwicklung umlaufen und die Kommutatorwicklung stationär sein. In diesen Fällen müssen dann auch natürlich die Bürsten auf dem Kommutator ' umlaufen, damit man eine umlaufende magnetische Achse in der stationären Wicklung, und eine Rotation der Feldwicklung erhält. Durch

die Anordnung umlaufender Bürsten erhält man eine äußerst venvickelte Bauart des Stromwenders, ohne dadurch die Stromwendung irgendwie zu verbessern. Es sind auch schon Vorrichtungen zur Stromabnahme von Kollektoren elektrischer Maschinen mittels beweglicher Kontaktstücke vorgeschlagen worden, wobei die Kontaktstücke mittels einer umlaufenden Scheibe langsam an den ίο Stromwender angedrückt, aber rasch losgelassen wurden.

Gemäß der Erfindung werden zur Beseitigung des Bürstenfeuers eine umlaufende Feldwicklung, eine stationäre Ankerwicklung ohne •5 Kommutator und eine Anzahl mit der stationären Wicklung verbundene Schalter, vorgesehen, welche derart arbeiten, daß eine in der stationären Wicklung umlaufende magnetische Achse erzeugt wird. Damit erhält man dann auch eine Rotation der Feldwicklung. Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise an Hand eines zweipoligen einphasigen Repulsionsmotor, wie er beispielsweise zum Antrieb von elektrischen Lokomotiven verwendet wird, veranschaulicht. Die Abb. ι stellt die Schaltanordnung nebst Stromwendeeinrichtung dar, die Abb. 2, 3 und 4 Einzelteile der Stromwendeemrichtung. In der Abb. 1 ist der Repulsionsmotor mit 10, die umlaufende primäre Wicklung mit 11, die Kollektorringe mit 12 und die auf diesen Ringen ruhenden Bürsten mit 13 und 14 bezeichnet. Der Repulsionsmotor liegt über dem Schleifbügel 16 unter Zwischenschaltung eines Spartransformators 17 an dem Netz 15· Das eine Ende des Spartransformators 17 ist mit dem Schleif bügel 16 und das andere Ende mit einem geerdeten Punkt 18 verbunden. Die Bürste 13 liegt an dem Punkt 18 und die Bürste 14 an dem Einstellelement 19 des Spartransformators 17. Die stationäre Wickr lung ist mit 20 bezeichnet, und in dem veranschaulichten Beispiel ist der Einfachheit halber die Wicklung 20 als Ringwicklung bezeichnet. In Wirklichkeit wird man natürlich eine gewöhnliche Trommelwicklung verwenden. Die Enden jeder Spule sind mit 21 und 2¹/, mit 22 und 28, mit 23 und 29, mit 24 und 30, mit 25 und 31 und mit 26 und 32 bezeichnet und mit entsprechenden Enden von Schaltern 33, 34, 35, 36, 37 und 38 verbunden. Die Schalter 33 bis 38 sind von gleicher Konstruktion. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist lediglich der Schalter 33 vollständig und von den übrigen Schaltern nur die Kontakte der Schalter gezeichnet. Die Kontakte eines jeden Schalters befinden sich in einem geeigneten Isoliergehäuse 41, das einen bläsebalgartigen Teil 42 besitzt. Das Gehäuse 41 ist entweder evakuiert oder mit irgendeinem neutralen Gas gefüllt. Um das Eindringen von Sauerstoff oder Luft in das Gehäuse zu verhindern, erfolgt der Abschluß des Gehäuses durch eine Kompoundmasse 43. Der Kontakt 40 des Schalters besitzt eine Nut 44, in welcher sich der an einem Stab 46 befestigte Stab 45 auf- und abwärts bewegen kann. Für die Bewegung des Stabes 46 selbst ist in dem Kontakt 40 eine Bohrung 47 vorgesehen. Der Stab 46 besitzt eine Schulter 48. Zwischen dieser Schulter und dem Kontakt 40 ist eine Druckfeder 49 angeordnet. Der Stab 46 ist an seinem anderen Ende in den Kupplungsteil 50 eingeschraubt und mittels Bolzen 52 an dem Isolationsteil 51 befestigt. Dabei ist infolge der Anordnung einer Mutter 53 eine Verstellung möglich. An dem Isolationsteil 51 ist mittels Bolzen 55 ein weiterer Stab 54 befestigt, der eine Schulter 56 und ein Gleitrad 57 besitzt. Zwischen der Schulter 56, des Stabes 54 und einem ortsfesten Teil 58 ist eine Druckfeder 59 angeordnet. Das Rad 57 gleitet auf der Bahn eines Nockenrades 60. Das Nockenrad 60 besitzt einen Führungsschlitz 61 mit den Anlagestellen 62 und 63. Das Nockenrad 60 wird von der Motorwelle aus in einer noch später zu beschreibenden Art und Weise gemäß der eingezeichneten Pfeilrichtung 64 im Uhrzeigersinn bewegt, und zwar unter Vermittlung eines Bolzens 65 und einer Feder 66. Das Nockenrad 60 besitzt zwei kreisförmige Führungsteile 67 und 68 und zwei geradlinige Führungsteile 69 und 70, Die kreisförmigen Teile 67 und 68 haben verschiedene Radien und die geradlinigen Führungsteile 69 und 70 verschiedene Neigungen. Der oben erwähnte Isolationsteil 51 hat den Zweck, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beweglichen Kontakten 40 der verschiedenen- Schalter und dem 1,00 aus Metall bestehenden Nockenrad 60 zu verhindern. Die Gleiträder 57 der Schalter 33 Dis 38 werden durch die Feder 59 an die Führungsbahn des Nockenrades· 60 angepreßt. Die jeweilige Anpressung kann, wie bereits oben erwähnt, mittels" der Mutter 53 eingestellt werden, und zwar erfolgt die Einstellung derart, daß die Kontakte der Schalter voneinander getrennt sind, wenn das betreffende Gleitrad sich auf der Führungsbahn 67 xio des Nockenrades 60 befindet. Gelangt das Gleitrad 57 von der Führungsbahn 67 über die Führungsbahn 69 zur Führungsbahn 68, so wird der Kontakt 40 gehoben, und die Kontakte 40. und 39 berühren sich, d. h. der Schalter wird dadurch geschlossen. Infolge des Vorhandenseins der Feder 49 ist auch dann ein guter Kontakt zwischen 39 und 40 vorhanden, wenn leichte Stöße auftreten oder die einzelnen Teile abgenutzt sind. Die Länge der Führungsbahn 68 und die Neigung der Führungsbahn 70 sind derart, daß durch das

Heruntergehen des Gleitrades 57 auf die Führungsbahn 70 der Bolzen 45 den Kontakt 40 abwärts bewegt und dadurch die Kontakte 40 und 39 voneinander trennt, und zwar nachdem die Kontakte eines anderen Schalters miteinander in Berührung gekomrnen sind.

In der Abb. 2 ist nun veranschaulicht, wie das Nockenrad 60 von der Motorwelle aus angetrieben wird. In den Schlitz 61 des

to Nockenrades 60 greift der Bolzen 65 ein, der fest mit einer Scheibe 71 verbunden ist. Die Scheibe 71 sitzt über den konischen Teil 72 fest auf der Motorwelle 73. Die Anpressung erfolgt mit Hilfe einer Buchse 74 und einer Mutter 75. Das Nockenrad 60 sitzt lose auf der Buchse 74. An dem Nockenrad 60 ist eine Buchse 76 mit Hilfe der Bolzen 77 befestigt. Die Buchse 76 besitzt eine Rille 78, in welche das Ende des Hebels 79 eingreift, der an einem Bolzen 80 drehbar befestigt ist. Der Hebel 79 besitzt eine Klinke 81, deren Zahn in die Nut 82 oder 84 des Klinkenrades S3 eingreift.

Der gewöhnliche zweipolige Repulsionsmotor besitzt eine stationäre Feldwicklung und eine umlaufende Ankerwicklung. Auf dem Kommutator ruhen zwei Reihen von Bürsten, deren Lage derart ist, daß die magnetische Achse der Ankerwicklung gegenüber der magnetischen Achse der Feldwicklung ungefähr 30⁰ in der Drehrichtung des Motors verschoben ist. Die Bürsten sind in für Repulsionsmotoren üblicherweise kurzgeschlossen. Eine Verstellung der magnetischen Achsen in *der oben erwähnten Weise ist mit Hilfe der Einrichtung nach der Erfindung ohne weiteres durch Lösen der Mutter 75 (Abb. 2) und Verstellen der Scheibe 71 möglich. Man hat zu diesem Zweck lediglich die Scheibe 71 und damit auch das Nockenrad 60 so weit im Uhrzeigersinn zu verdrehen, daß sich die Kontakte des einen Schalters, dessen Gleitrad sich auf der Bahn 70 befindet, eben geöffnet haben, während die Kontakte desjenigen Schalters, dessen Gleitrad sich auf der Bahn 69 befindet, geschlossen sind. Dann werden durch den letztgenannten Schalter die Enden derjenigen Spulen der Wicklung 20 kurzgeschlossen, deren magnetische Achse gegen- über der magnetischen Achse der Wicklung 11 um 30⁰ in der Drehrichtung verschoben ist. Hierauf kann dann die Scheibe 71 wieder mittels der Mutter 75 auf dem konischen Teil 72 der Motorwelle 73 befestigt werden.

Wird dann die Feldwicklung 11 des Motors

10 erregt, so läuft der Motor als gewöhnlicher Repulsionsmotor, da der mit der Wicklung 20 induzierte Strom mit dem Feld der Wicklung

11 eine Drehung der Wicklung 11 bewirkt. Mit der Rotation der Wicklung 11 rotiert natürlich auch die magnetische Achse dieser Wicklung und ebenso das Nockenrad 60. Damit aber schließen sich die Schalter nacheinander mit einer Geschwindigkeit, die proportional der Umdrehungsgeschwindigkeit der Wicklung 11 ist. Infolgedessen ist die Umdrehungsgeschwindigkeit der magnetischen Achse der stationären Wicklung 20 gleich der Umdrehungsgeschwindigkeit der magnetischen Achse der Wicklung 11, so daß die einmal eingestellte Verschiebung der magneti- ■ sehen Achse beibehalten bleibt und der Motor also als Repulsionsmotor läuft. Zwar bleibt die magnetische Achse der Wicklung 20 während · des Zeitraumes, währenddem der betreffende Schalter geschlossen ist, stehen, während die magnetische Achse der Wicklung 11 weiterrotiert. Ist aber die Zahl der Schalter genügend groß, so ist die Zeitdauer, während der eine Schalter geschlossen ist, so klein, daß eine wesentliche Verschiebung der , magnetischen Achsen gegeneinander nicht eintritt. _s

Wie bereits erwähnt, wird jeder Schalter erst etwas später geöffnet, nachdem bereits ein folgender Schalter geschlossen ist. Dadurch wird erreicht, daß stets mindestens eine Spule stromführend ist. Andererseits aber sind infolge dieser Anordnung während einer geringen Zeitdauer zwei Schalter gleichzeitig geschlossen. Dieser Fall ist in Abb. 1 veranschaulicht. Die Schalter 33 und 38 sind in dem gezeichneten Augenblick beide geschlossen. Damit sind gleichzeitig die Enden 21 und 27 durch den Schalter 33 und die Enden 26 und 32 durch den Schalter 38 kurzgeschlossen. Infolgedessen sind in diesem Augenblick zwei Stromkreise (21, 33, 27 und 26, 38, 32) für die in .der Wicklung 20 induzierten Ströme vorhanden. Die magnetische »oo Achse des einen Stromkreises liegt in der Verbindungslinie der Punkte 21 und 27 und die magnetische Achse des anderen Stromkreises in der Verbindungslinie der Punkte 26 und 32. Die zwei magnetischen Achsen haben nun zwar die gleiche Richtung, und die in den zwei Stromkreisen fließenden Ströme erzeugen Drehmomente der gleichen Richtung. Da aber die beiden Stromkreise um denselben Wert gegeneinander verschoben sind wie ihre magnetischen Achsen, so ist der Momentanwert der zeugten Spannungen ungleich und es tritt daher ein zwischen den beiden Stromkreisen fließender Ausgleichsstrom auf. Dieser Ausgleichsstrom kann nun eine Verminderung des Drehmomentes des Motors während der Zeitdauer, während der gleichzeitig zwei Schalter geschlossen sind, hervorrufen. Andererseits treten während der Rotation des Motorläufers in diesen kurzgeschlossenen Teilen der Wicklung 20 Spannungen auf, die der Spannung, die den Ausgleich-

strom hervorruft, entgegengerichtet sind. Bei höheren Geschwindigkeiten des Motors sind diese Spannungen einander gleicn, so daß dann ein Ausgleichstrom nicht mehr auftreten kann und der Motor sowohl bei einem als auch bei zwei geschlossenen Schaltern gleiches Drehmoment besitzt.

Eine Verminderung des Drehmomentes bei zwei geschlossenen Schaltern tritt also praktisch nur bei geringen Umlaufgeschwindigkeiten des Motors auf. Erfindungsgemäß wird auch bei diesen Umlaufgeschwindigkeiten die Verminderung des Drehmomentes wesentlich dadurch herabgesetzt, daß die Zeitdauer, während der zwei Schalter geschlossen sind, verkürzt wird. Die Mittel hierzu seien nachfolgend beschrieben:

Wenn das Rad 57 des Schalters 38 über die Bahn 70 läuft, so übt die Feder 59 des Schalters 38 einen Druck auf das Rad 57 und damit auch auf die Bahn 70 aus. Da nun die Führungsbahn 70 eine verhältnismäßig große Neigung besitzt, so ist die in der Drehrichtung des Motors wirkende Komponente dieses Druckes groß genug, um eine Beschleunigung " des Nockenrades 60 während dieser Periode zu bewirken. Eine derartige Beschleunigung ist ohne weiteres möglich, da die Länge des Schlitzes 6τ so groß ist, daß dabei der Bolzen 65 nicht in Berührung mit dem Schlitzende 63 kommt. Andererseits verhütet die Feder 66 einen plötzlichen Stoß, wenn der Bolzen 65 wieder den Antrieb der Nockenscheibe 60 übernimmt.

Auf diese Art und Weise wird also die Zeitdauer, während welcher gleichzeitig zwei Schalter geschlossen sind, bei geringerer Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors verkürzt und damit auch die Verminderung des Drelimomentes verringert. Bei steigender Drehzahl vermindert die Trägheit der einzelnen Teile die Größe der durch die genannte Anordnung erzielten zeitweisen Beschleunigung des Nockenrades. Dies ist aber unwesentlich, da ja bei steigender Drehzahl eine derartige zeitweise Beschleunigung, wie oben ausgeführt wurde, nicht nötig ist.

Die Geschwindigkeit des Motors 10 kann durch irgendwelche zwischen den Schaltern 33 bis 38 und den Spulen der Wicklung 20 eingefügte Einrichtungen, die eine Verschiebung der magnetischen Achse der Wicklung 20 bewirken, oder durch Verschiebung des Einstellelementes 19 am Spartransformator 17 geregelt werden.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich ohne weiteres, daß durch die Einrichtung nach der Erfindung infolge des Fehlens eines Kommutators der gewöhnlichen Bauart das Bürstenfeuer völlig beseitigt wird. Der bei dem Trennen der Kontakte in den Schaltern entstehende Lichtbogen verursacht nur eine sehr geringe, absolut unwesentliche Beschädigung der Kontakte, da sich die Kontakte in einem Gehäuse befinden, das keinen Sauerstoff und keine Luft enthält. Die Anordnung gemäß der Erfindung erlaubt ferner die Verwendung hoher Spannungen in der Wicklung 20, so daß die Leiter der Wicklung 20 dünner bemessen werden können als bei einem Motor mit einem Kommutator der üblichen Bauart. Mit dieser Einrichtung können sogar große Schaltleistungen erzielt werden. Es sind dann lediglich die Gehäuse der Schalter hoch zu evakuieren und gegebenenfalls die Kontakte 39 und 40 aus geeignetem Material herzustellen.

Soll der verwendete Motor während eines Arbeitsganges sowohl in der einen als auch in der anderen Richtung laufen, wie dies beispielsweise für Motoren zum Antrieb von Lokomotiven in Betracht kommt, so ist es zweckmäßig, als Nockenrad eine Scheibe gemäß der Abb. 3 zu verwenden. Bei dem Nockenrad der Abb. 3 besitzen die Führungsbahnen 69 und 70 auf der Vorderseite eine andere Neigung wie auf der Rückseite, und zwar besitzt die Führungsbahn 69 auf der Vorderseite eine geringere Neigung, auf der Rückseite eine größere Neigung und die Führungsbahn 70 auf der Vorderseite eine größere Neigung und auf der Rückseite eine geringere Neigung. Bei der Drehung des Motors im Uhrzeigersinn läuft das Gleitrad 57 auf dem an der Vorderseite liegenden Teil der Führungsbahnen 69 und 70 des Nockenrades 60 und bei einer Drehung des Motors entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn nach einer entsprechenden axialen Verschiebung des Nockenrades auf dem an der Rückseite liegenden Teil der Führungsbahnen 69 und 70. Die axiale Abstellung der Nockenscheibe 60 beim Reversieren des Motors erfolgt durch. den Hebel 79 (Abb. 2), in dem die Klinke 81 von der Nut 82 in die Nut 84 eingestellt wird.

Die Abb. 4 zeigt eiiie Nockenscheibe 6o' für einen nur in einer Drehrichtung laufenden Motor. Die Führungsbahn 69' besitzt bei diesem Nockenrad auf ihrer ganzen Breite eine geringe Neigung und die Führungsbahn 70' auf ihrer vollen Breite eine große Neigung. Selbstverständlich kann der Motor auch mit dieser Scheibe nicht nur im Uhrzeigersinn, sondern auch entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn betrieben werden, sofern man die Nockenscheibe 60' umkehrt.

Die Erfindung wurde an Hand eines zweipoligen einphasigen Repulsionsmotors beschrieben. Es ist aber selbstverständlich die Einrichtung gemäß der Erfindung bei samtliehen elektrischen Maschinen anwendbar, die eine Stromwendeeinrichtung benötigen.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   ι. Einrichtung zur Stromwendung bei kollektorlosen elektrischen Maschinen, insbesondere bei elektrischen Wechselstrommaschinen mit umlaufender Feldwicklung und stationärer Ankerwicklung, mittels Schalter, deren Kontakte durch eine Nockenscheibe gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei gegeneinander beweglichen Kontakte eines Schalters mit den Enden der stationären Ankerwicklung verbunden und in an sich bekannter Weise in einem evakuierten Gehäuse angeordnet sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kontaktbewegung des Schalters hervorrufende Nockenscheibe unter Zwischenschaltung einer Feder von einem Bolzen angetrieben wird, der einerseits an einer fest auf der Motorwelle sitzenden Scheibe befestigt ist und andererseits in einen gekrümmten Ausschnitt der Nockenscheibe eingreift.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kontaktbewegung hervorrufende Teil der Nockenscheibe aus einer kreisbogenförmigen Fläche (68) und zwei ebenen Flächen (69 und 70) verschiedener Neigung besteht, wobei die Neigung der in der Drehrichtung vorausliegenden Fläche kleiner ist als die Neigung der in der Drehrichtung nachfolgenden Fläche.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, insbesondere für Motoren mit Reversierbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen des die Schließung der Schalter bewirkenden Teiles der Nockenscheibe aus zwei in der Axialrichtung nebeneinanderliegenden Flächen verschiedener Neigung bestehen, so daß die Inbetriebsetzung dieser Flächen jeweils . beim Reversieren durch eine axiale Verschiebung der Nockenscheibe erfolgen kann.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen