DE634874C - Querfeldgleichstrommaschine regelbarer Kurzschlussstromstaerke fuer Lichtbogenschweissung mit Reihenschlusserregung und mit magnetischen Nebenwegen, die konstante Luftspalte enthalten und parallel zu den Hauptpolschenkeln verlaufen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
5. SEPTEMBER 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 634874 KLASSE 21 d¹ GRUPPE

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin*)

enthalten und parallel zu den Hauptpolschenkeln verlaufen

Patentiert im Deutschen Reiche vom 30. April 1930 ab

Bei den Querfeldmaschinen wird bekanntlich durch Rückwirkung des Ankergegenfeldes auf die Feldmagnetdurchflutung das Hauptfeld geschwächt. Dieser Vorgang kann so weit gesteigert werden, daß mit wachsendem Ankerstrom die Spannung an den Nutzbürsten verschwindet. Ist die Maschine mit einer Reihenschlußerregerwicklung versehen, so steigt die Spannung von ihrem Werte bei Leerlauf aus zunächst mit zunehmendem Strom an bis zur Sättigung des Eisens im Polschenkel. Eine weitere Erhöhung der Stromstärke wirkt sich nur in Form einer vermehrten Streuung zwischen den Polen und dem Joch aus und verursacht andererseits ein Überwiegen des Ankerfrusses gegenüber dem Nutzfluß. Infolgedessen sinkt die Spannung mit steigendem Strom sehr bald auf Null.

Der Verlauf der Spannung in Abhängigkeit des Stromes ist aus der Abb. 1 zu ersehen. Diese Abbildung zeigt, daß die Spannung zunächst von einem verhältnismäßig geringen Leerlaufwert ansteigt, nach Eintritt der Sättigung im Polschenkel oder Jocheisen einen Höchstwert erreicht, um dann allmählich auf den Wert Null herabzusinken.

Eine solche Charakteristik ist besonders für den Lichtbogenbetrieb günstig. Die Anwendung der Querfeldmaschine zu diesem Zweck hat aber bis jetzt noch wenig Eingang in die Praxis gefunden, weil besonders für Lichtbogenschweißung die Regulierung der Schweißstromstärke die Überwindung mannigfacher Schwierigkeiten erforderte.

Sofern man Nebenschlußwiderstände für die Erregerwicklung als Reguliermittel benutzt, zeigt sich, daß der Regelbereich zu sehr beschränkt ist, weil insbesondere für kleine Stromstärken der obenerwähnte Höchstwert der Spannung auf einen Betrag herabsinkt, welcher ein Schweißen nicht mehr gestattet. Außerdem stellen sich noch verschiedene andere Nachteile ein, so daß man von einer solchen Regulierung bisher abgesehen hat.

Ähnliche Erfahrungen wurden auch bei der Regulierung durch Änderung der Windungszahlen gemacht, so daß man bis heute im allgemeinen eine solche Maßnahme zwecks Einstellung der Stromwerte nicht erfolgreich anwenden konnte.

Es sind auch schon Streupole mit besonderen Hilfserregerwicklungen angeordnet und regulierbare Widerstände vorgesehen worden. Diese Hilfsmittel weisen jedoch wesentliche Nachteile auf, da sie vielfach eine umstandliehe Schaltung bedingen und ihr Aufbau

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Ludwig Müller in Berlin-Niederschönhäusen.

daher verhältnismäßig viel Raum erfordert Bei dieser bekannten Anordnung sind nämlich zwei Erregerwicklungen vorhanden. Die eine Erregerwicklung umschlingt sowohl den, Hauptpol als auch die Streupole. Die andejg Erregerwicklung umfaßt nur den Hauptpol^ Bei Heiner Schweißstromstärke fließt ein Teil der den Hauptpol durchsetzenden Kraftlinien unter Umgehung des Läufers unmittelbar über die Streupole und das Joch zum Hauptpol zurück. Dieser Teil der Kraftlinien geht somit nutzlos verloren. Abgesehen hiervon ist das Kupfergewicht der Erregerwicklung beträchtlich, da einerseits die sowohl den Hauptpol als auch die Streupole umschließende Erregerwicklung eine große Windungslänge besitzt und andererseits die nur den Hauptpol umfassende Erregerwicklung einen großen Leitungsquerschnitt erhalten muß, da sie in zwei Eisenkörpern eingebaut ist, allseitig mit Isoliermaterial umgeben sein muß und daher leicht heiß wird. Weiterhin weist die bekannte Anordnung den Nachteil auf, daß sie eine verwickelt gebaute Polanordnung besitzt und damit zu ihrer Herstellung außerordentlich teure Blechschnitte erforderlich sind. Sofern man daran denken würde, die Regulierung der Schweißstromstärke bei dieser bekannten Anordnung durch Windungszahländerung bewirken zu wollen, würde die weitere Schwierigkeit entstehen, daß die Erregerwicklung nur sehr schwer mit Anzapfungen versehen werden könnte.

Auch die bekannten Querfeldschweißmaschinen mit Regulierpolen weisen mancherlei Mangel auf. Abgesehen von dem infolge der Regulierpole verwickelten Aufbau gestatten diese Maschinen auch nicht, die richtigegewünschte Schweißstromstärkemit einer einmaligen Einstellung zu erzielen, sondern zwingen den Bedienenden zum Probieren, bis er die richtige Stromstärke gefunden hat. Da der Schweißgenerator vielfach während des Schweißens nicht neben der Schweißstelle Aufstellung findet, so muß ein unerwünschter Zeitverlust mit in Kauf genommen werden, bevor die eigentliche Schweißarbeit überhaupt beginnen kann. Eine anfangs vorgenommene Einstellung durch Zeiger und Markierungen ist nur dann möglich, wenn alle Regulierpole des Schweißgenerators durch Gestänge miteinander zwangsläufig verbunden sind und gemeinsam betätigt werden. Eine derartige Einrichtung trägt aber dann erheblich dazu bei, die Kosten des Schweißgenerators zu erhöhen und gibt außerdem leicht zu Störungen, insbesondere bei hohen Polzahlen, Veranlassung. Sind die vorhandenen Regulierpole der Maschinen aber einzelnen Regelbereichen zugeordnet und ist keine mechanische Kupplung zwischen den einzelnen Regulierpolen vorhanden, so besteht leicht die Möglichkeit, daß der Bedienende nicht sofort den für den ge- ^Wünschten Regelbereich in Frage kommenden, 'Js&iidern einen falschen Regulierpol einstellt. ör allem aber ist es bei getrennter Aufstellung des Schweißgenerators und der Schweißeinrichtung erforderlich, daß der Bedienende bei Einstellung eines anderen Regelbereiches die Schweißstelle verläßt und sich an den Ort der Aufstellung des Schweißgenerators begibt. Dies ist natürlich umständlich und für einen praktischen Betrieb einer Schweißeinrichtung unerwünscht.

Da ferner bei Schweißmaschinen mit Regulierpolen die Regulierung der Kurzs.chlußstromstärke im allgemeinen auf Veränderung des magnetischen Widerstandes im Polschenkel beruht' und diese sich nur über einen Teil des magnetischen Widerstandes des gesamten Kreises erstreckt, sind dem Regelbereich der Schweißströme verhältnismäßig enge Grenzen gezogen. Insbesondere sind beim Arbeiten im unteren Regelbereich Vorschaltwiderstände erforderlich, welche einen Teil der Energie in Wärme umsetzen.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile der bekannten Anordnungen dadurch, daß zur Lichtbogenschweißung eine Querfeldgleich-Strommaschine mit Reihenschlußerregung und regelbarer Kurzschlußstromstärke verwendet wird, bei der Luftspalte enthaltende, magnetische, parallel zu den Hauptpolschenkeln liegende Nebenwege vorgesehen sind und die ^⁵ Haupt- und die Nebenwege von der Erregerspule gemeinsam umfaßt werden. Die Regelung der Schweißstromstärke geschieht allein durch Anwendung der Windungszahl der Erregerspule.

Zur Erläuterung des Erfmdungsgedankens sind in den Abb. 2, 3 und 5 Ausführungsbeispiele und. in der Abb. 4 ein Schaubild mit Kennlinien dargestellt.

An dem Joche einer Schweißdynamo sind die Pole der Maschine in bekannter Weise befestigt. Sie bestehen aus dem Polschuh a und dem Schenkel b, dessen Breite mit / bezeichnet ist. Durch die Linie u-u ist der mittlere Kraftlinienweg durch das Eisen des Polschenkels b angedeutet. Bei einer bestimmten Stromstärke ist das Eisen gesättigt. Eine Erhöhung der Stromstärke hat keine Vermehrung der Nutzkraftlinien, wohl aber ein Anwachsen des vom Anker herkommenden ¹¹S Gegenfeldes zur Folge.

Die Breite f des Schenkels b ist derart bemessen, daß der Schenkel b schon bei kleinen, dem unteren Regulierbereich entsprechenden Schweißströmen gesättigt ist. Um nun den Nutzkraftfluß bei größeren Stromstärken trotzdem vergrößern zu können, sind für den

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Nutzkraftfluß noch Nebenwege vorgesehen, in die Luftspalte d von gleichbleibender Größe eingeschaltet sind. Hierdurch ist es dann möglich, durch Vermehrung der Windungszahl der Erregerspule auch größere Schweißstromstärken zu erhalten.

Den Verlauf der Kraftlinien im Nebenweg zeigt der Linienzug v-v. Kennzeichnend für die Erfindung ist gegenüber bekannten An-Ordnungen, daß die in Reihe mit dem Anker geschaltete Erregerwicklung e gemeinsam den Haupt- und die Nebenwege umfaßt.

Um die für die Schweißzwecke günstige Kennlinie I in der Abb. ι zu erhalten, müßte man ohne Anwendung der Erfindung der Erregerwicklung und dem Regulierapparat praktisch unmögliche Abmessungen geben. Falls man andererseits die Dynamo ohne Anwendung des Erfindungsgedankens für größere Schweißströme auslegt, würde man bei kleineren Strömen einen für das Schweißen ungünstigen Verlauf der Kurve in Abhängigkeit vom Strom erhalten, wie er ungefähr durch die Kurve III in der Abb. 1 angegeben ist.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung erhält man trotz verhältnismäßig einfacher Ausbildung des Schweißgenerators und des Regulierapparates die für Schweißzwecke äußerst günstige Kurve II.

Die Wirkungsweise der Erfindung läßt sich am besten an Hand der Kurzschlußcharakteristik erläutern. Der Kurzschlußstrom ist bekanntlich nahezu dem Schweißstrom gleich, da bei dem Sch weiß Vorgang mit einer verhältnismäßig zur Größenordnung der Stromstärke kleinen Spannung gearbeitet wird. In der Abb. 4 sind drei solcher Kennlinien in einem Schaubild dargestellt, aus deren Verlauf die Abhängigkeit des Maschinenstromes I_k bei kurzgeschlossenen Klemmen von den Feldamperewindungen (AW) zu entnehmen ist. Die Kurve IV läßt den Verlauf von I_k bei Bemessung des Polschenkels für kleinere Feldstärken, d. h. für kleinere Kurzschlußströme, für die die Breite/ des Polschenkels ausreicht, erkennen. Die Schweißstromstärke kann von einer bestimmten kleinen Größe ab durch Hinzuschalten von weiteren Amperewindungen praktisch nicht mehr gesteigert werden. Die Kennlinie V erhält man, wenn der Polschenkel für größere Kraftflüsse bemessen wird und beispielsweise die Breite w fAbb. 3) erhält. Aus dem Verlauf der Kurve V ist zu ersehen, daß der Regulierbereich nur für große Stromstärken möglich und der Bereich für den unstabilen Betrieb sehr ausgedehnt ist. Die Kurzschlußstromeinstellung ist daher bei einem Motor mit der Kennlinie V unsicher. Der Kurzschlußstrom schwankt in weiten Grenzen, so daß die Zündung und Schweißung unmöglich ist, zum mindesten jedoch sehr stark beeinträchtigt wird, denn eine Regulierung durch Änderung der Feldamperewindungen ist nur so weit möglich, als sich Schnittpunkte der Kennlinien mit den Nullpunktstrahlen ergeben.

Um die angeführten Mangel zu beheben, muß die Kennlinie nach der mit VI bezeichneten Kurve verlaufen. Daselbst ist der Bereich, innerhalb dem die Stromstärke geändert werden - kann und der durch die Schnittpunkte der Nullpunktstrahlen mit der Kurve VI begrenzt wird, außerordentlich groß, so daß sowohl kleine als auch große Stromstärken eingestellt werden können. Eine Kennlinie mit dem Verlauf der Kurve VI erhält man, wenn man eine Querfeldgleichstrommaschine mit Reihenschlußerregung und regelbarer Kurzschlußstromstärke und mit mit Nebenwegen versehenen Hauptpolen für die Lichtbogenschweißung verwendet, bei der in die Nebenwege ein konstanter Luftspalt eingeschaltet ist, die Haupt- und die Nebenwege von der Erregerspule gemeinsam Umfaßt werden und die Regulierung der Schweißstramstärke allein durch Änderung der Windungszahl der Erregerspule bewirkt wird. Ist der Hauptweg für kleine Stromstärken bemessen, so verlaufen die Kurven IV und VI bis zum Beginn der Sättigung im Polschaft mit der Breite/ nahezu gleichsinnig. Dann, nach Eintritt der Sättigung des Hauptweges, steigt die Kennlinie IV nur sehr wenig an, während die Kennlinie VI dank der vorhandenen Neben- bzw. Luftwege für die Kraftlinien einen für den Schweißbetrieb günstigen Anstieg nimmt.

Die Charakteristik VI zeigt, daß der Regelbereich für die Schweißströme bei der er- 1°° findungsgemäßen Einrichtung außerordentlich groß ist. Er beginnt bei den kleinsten Strömen, etwa 50 Amp., und reicht bis zu den größten Strömen, welche die Maschine nach ihrer Berechnung und Bemessung er- *°5 zeugen kann.

Zur Erleichterung der Herstellung der Pole und der Anbringung von Abstützungen für die Bleche ist es vorteilhaft, den Polschenkel gemäß der Abb. 2 auszubilden. Daselbst ist "» das den Nebenweg bildende Eisen örtlich vom Polschenkel durch Schlitze t getrennt angeordnet.

Für normale Lichtbogenschweißungen sind ungefähr 20 Regulierstufen erforderlich. Die Feldspulen müssen natürlich dann mit einer gleich großen Anzahl Anzapfungen versehen werden. Eine solche Einrichtung erfordert gegebenenfalls einen zu großen Raum und ist mechanisch unbequem. Um diesen Nachteil zu beheben, gibt man zweckmäßig beiden Polen der Maschine nicht die gleiche Win-

dungszahl und sieht neben einer feinstufigen Einstellung noch eine Grobschaltung vor.

Die Abb. 5 zeigt ein Schema einer solchen Schaltung. Der Anker r der Maschine und die Reihenschlußwicklungen g und m sind mit der Schweißstelle j in Reihe geschaltet. Die Spule g besitzt fünf Anzapfungen außer ihrer Zu- und Ableitung. Mittels eines Schalters h ist die Windungszahl um 5X1=5 Windüngen veränderlich. Um den Regulierbereich noch mehr zu erweitern, beispielsweise die Windungszahl zu verringern, dreht man den Schalter h im Sinne des Pfeiles p zurück und legt die Grobschalterlasche i auf den mittleren Kontakt der drei' Anzapfungen der Wicklung m, wodurch sechs Windungen abgeschaltet werden. Durch die Bewegung der Schaltqrlaschei auf den obersten Kontakt ist es möglich, die Windungszahl um nochmals sechs Windungen zu verringern. Durch-diese Regulierung ergeben sich 3X6=18 Stufen. Vorteilhaft ist es, wenn man die mittlere Grobstufe so ausführt, daß ihre sechs Stufen für die gebräuchlichsten mittleren Stromstärken ausreichen, so daß nur dann ein Umstellen der Grobschalterlasche erforderlich wird, wenn die selteneren größeren oder geringeren Stromstärken gefordert werden.

· Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung eine jede Schalterstellung einer ganz bestimmten Schweißstromstärke entspricht und die* Einstellung des Schalters ohne weiteres an dem Ort des Schweißens, also auch in größerer Entfernung von dem Orte des Schweißgenerators, vorgenommen werden kann, kann der Schweißer an Hand einer Tabelle ohne weiteres vor Beginn seiner je-. weiligen Arbeit die gewünschte Schweiß-Stromstärke einstellen. Es lassen sich auch entsprechend der Erregerspule win den Abb. 2 und 3 Windungen auf dem Polschuh anordnen. Eine bestimmte Windungszahl dieser Spule» ist wirksamer als eine entsprechend große Windungszahl der Spule e, weil zwischen den Spulen e und η ein großer Luftstreuweg 0 vorhanden ist. Hierdurch läßt sich eine feinere Abstufung bei kleinen Schweißströmen gegenüber größeren erzielen. Außerdem weist die Anordnung von Spulen auf dem Polschuh noch den großen Vorteil auf, daß weniger Windungen benötigt werden und somit Material gespart werden kann. Auch ist eine bessere Verteilung der Erregerspulen in der Maschine möglich, wodurch besonders eine wesentlich günstigere Belüftung herbeigeführt wird.

Für die Anordnung der Spule η ist gegenüber bekannten Anordnungen kennzeichnend, daß die Spule η genau wie die Spule e sowohl Haupt- als auch Nebenwege gemeinsam umfaßt.

Ein weiterer Vorteil der neuen Anordnung besteht darin, daß die Länge des Polschenkels kleiner bemessen werden kann und somit die Größe der Maschine wesentlich verringert wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Querfeldgleichstrommaschine regelbarer Kurzschlußstromstärke für Lichtbogenschweißung mit Reihenschlußerregung und mit magnetischen Nebenwegen, die konstante Luftspalte enthalten und parallel zu den Hauptpolschenkeln ver-

- laufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und Nebenwege von der Erregerspule gemeinsam umfaßt werden und die Regelung der Schweißstromstärke allein durch Änderung der Windungszahl der Erregerspule bewirkt wird.

2. Querfeldgleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf' einem Pol eine bestimmte Zahl von

• Windungen feinstufig ab- und zugeschaltet und auf dem gegenüberliegenden Pol ungefähr die gleiche Windungszahl in einer Grobstufe oder die doppelte Windungszahl in zwei Stufen geschaltet wird.

3. Querfeldgleichstrommaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur bequemeren Herstellung von zahlreichen Anzapfungen der Regulierleitungen ein Teil der Erregerspule auf dem Polschenkel, der andere auf dem Polschuh aufgebracht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen