DE638361C - Antrieb mittels Gleichstrommotoren - Google Patents

Description

Es ist bekannt, insbesondere bei Fahrzeugantrieben mittels Gleichstrommotoren, für die Motoren einen besonderen Generator vorzusehen, welcher von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Bei derartigen Antrieben ergibt sich eine Schwierigkeit insofern, als der Verbrennungsmotor nicht bei allen Geschwindigkeiten des Antriebs voll ausgenutzt ist. Bei steigendem Strombedarf

ίο des Antriebs, wenn also der Generator von der Verbrennungskraftmaschiene ein höheres Moment fordert, sinkt die Drehzahl des Verbrennungsmotors ab, so daß nach der bekannten Charakteristik einer derartigen Kraftmaschine die von ihr hergegebene Leistung gleichfalls vermindert wird.

Es sind daher bereits verschiedene mehr oder minder vielteilige Anordnungen bekanntgeworden, mittels welcher der Momenten-

ao bedarf des Generators so geregelt wurde, daß bei jeder Stromentnahme die Drehzahl des Stromerzeugungsaggregates annähernd konstant gehalten wurde, so daß .die Verbrennungskraftmaschine annähernd konstante Be-

lästung aufweist und dauernd voll ausgenutzt werden kann. Aber erst der Erfindungsgegenstand stellt eine Anordnung dar, bei welcher die Verbrennungskraftmaschine im Hauptarbeitsbereich des Antriebs auf einfachste Weise vollkommen ausnutzbar ist.

Die Erfindung betrifft einen Antrieb mittels Gleichstrommotoren, welche von einem durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen, fremderregten Generator gespeist werden, dessen Erregerspannung mit steigendem Ankerstrom fällt. Das Neue und Erfinderische besteht darin, daß die Erregermaschine als Spaltpolgenerator ausgebildet ist, wobei ein Polkern (Hauptpol) eines jeden halben Polsystems konstant erregt ist, während dei andere Polkern (Zusatzpol) außer einer konstanten Erregung eine dieser entgegenwirkende, vom Generatorstrom beeinflußte Hauptstromerregung besitzt, und daß der Abfall der Erregerspannung insbesondere im mittleren Arbeitsbereich eine der Magnetisierungskurve ähnliche Funktion des Ankerstromes ist.

Es ist zwar schon eine Anordnung bekanntgeworden, die ebenfalls die Aufgabe gelöst hat, der äußeren Charakteristik eines Generators für Zugförderungszwecke mit Brennkraftmaschinenantrieb einen Verlauf zu geben, der etwa dem einer gleichschenkligen Hyperbel entspricht. Jedoch findet dabei im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung nicht eine Spaltpolerregermaschine als Hauptregelorgan Verwendung, deren restliche Korrekturen mittels einer Reihenwicklung auf dem Hauptgenerator vorgenommen werden. Der

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

Erich Rother in BerKn-Johannisthai.

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gewünschte Verlauf .der äußeren Charakteristik der Leistungsmaschine ,wird stattdessen auf dem umständlicheren und kostspieligeren. Wege der Verwendung zweier Errege^"? maschinen angestrebt, von denen die eine eiii|fc uneändlihe di dee eine nch GröBeJt*

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unveränderliche, die andere eine nach und Richtung in Abhängigkeit vom lastungsstrom veränderliche Spannung liefert, wobei die letztere Maschine hoch gesättigt sein soll. Bei der bekannten Anordnung müssen die beiden miteinander gekuppelten Erregermaschinen allein für den Zugförderungszweck wesentlich die gleiche Größe haben, denn sie führen den gleichen Strom, und im Endzustand der Gegenschaltung, das ist beim Anfahren, müssen sich die von ihnen * erzeugten Spannungen bis auf einen kleinen Rest aufheben, also annäherungsweise ebenfalls gleich sein.

Die Nachteile dieses Zweimaschinenaggregates gegenüber dem mit einer Spaltpolerregermaschine arbeitenden Erfindungsgegenstand sind offensichtlich: Bei der bekannten Anordnung mußte die die veränderliehe Spannung liefernde Erregermaschine in ihrem Eisenkreis so außerordentlich "schwach dimensioniert sein, daß unter Umständen ihre Betriebstüchtigkeit auf einem Fahrzeug darunter leidet, während bei einer Spaltpolerregermaschine diese Schwierigkeit wegfällt, da sie grundsätzlich mit zwei einander kreuzenden Kraftflüssen arbeitet, die im Joch ■ und im Anker lange Wegstrecken gemeinsam haben. Unmittelbar auffallend ist ferner der Vorteil des Erfindungsgegenstandes, daß die Einzelmaschine nur einen Kollektor, eine Welle und einen Bürstensatz gegenüber je zwei der Zweimaschinenanordnung' braucht u. dgl. nur zwei Lagerhalter gegenüber vier. Eine Spaltpolmaschine muß zwar größer ausgelegt werden als eine Erregermaschine, die nur eine konstante Leistung abzugeben hat. Insbesondere erfordert die hier beabsichtigte starke Veränderlichkeit der Spannung bei konstanter Drehzahl unbedingt eine größere Maschine. Der Hauptgrund hierfür liegt darin, daß zur Erzielung der veränderlichen Spannung das Hauptfeld durch den Spaltpol teilweise wieder vernichtet wird. Man wird im vorliegenden Falle sicherlich auch etwas größere Jochquerschnitte, ausführen als bei einer Maschine gleicher Leistung, weil die beiden Kraftflüsse von Spaltpolmaschinen nicht unabhängig voneinander sind. Durch diese naturbedi.ngte größere. Typenleistung der Spaltpolmaschine werden " aber nicht die Vorteile bezüglich der Raum- und Gewichtsausnutzung aufgehoben.

Eine Spaltpolmaschine ist im Gewicht um etwa ¹Ii schwerer als eine Maschine normaler Bauart und derselben Leistung. Jedoch wird

das aktive Material· bei Verwendung von zwei Erregermaschinen unbedingt größer im Gewicht als bei einer Maschine, selbst wenn %ctöese mit Rücksicht auf die gewünschte Wir-4ö3(ig etwas größer dimensioniert werden muß. .fÄjußerdem werden im Falle der vorliegenden ^; Erfindung, wie bereits erwähnt wurde, die 'zweiten Lager, Lagerschilde, Kollektoren usw. entbehrlich. Hieraus ergibt sich auch für den Betrieb eine erhebliche Vereinfachung, da bei der Spaltpolmaschine nur ein Kollektor, ein Bürstensatz und zwei Lager zu unterhalten sind gegenüber der doppelten Zahl bei der Anordnung von zwei Erregermaschinen.

Es ist zwar auch schon eine Schaltung bekanntgeworden, bei der eine Spaltpolerregermaschine Verwendung gefunden hat. Doch liegt dieser Anordnung eine ganz andere Aufgabe als der vorliegenden Erfindung zugründe. Es handelt sich dort nämlich darum, eine Erregermaschine und eine Schaltung für diese vorzusehen, die es ermöglicht, bei plötzlicher Änderung der Belastung des Hauptgenerators bzw. eines der angeschlossenen Motoren eine augenblicklich wirkende Regelung zu erreichen, die den Strom des Hauptgenerators konstant hält, selbst wenn einer der angeschlossenen Motoren nicht nur entlastet wird, sondern sogar Energie in das Netz zurückliefert.

Inwiefern das erfindungsgemäße Aggregat dem Idealzustand der Ausnutzung der Brennkraftmaschine bei jeder Stromstärke im höchsten Grade nahekommt, kann man aus dem Diagramm der Abb. 1 entnehmen, welches im nachstehenden des näheren erläutert werden soll'.

In dem Diagramm ist (rechts oben) a die ideale Spannungscharakteristik des Generators, d. h. ein Generator, dessen Stromspannungskurve nach der Kennlinie α verläuft, hat bei konstanter Drehzahl im gesamten Arbeitsbereich unabhängig vom Strom die gleiche Leistimg. Die Linie α ist nämlich eine gleichseitige Hyperbel, und da die Abszisse den Strom /und die Ordinate die Spannung E derselben darstellen, gilt für diese Kurve α die Gleichung

B-J = konstant.

Da aber das Produkt aus Strom und Spannung gleich der Leistung ist, so ist auch die Leistung dieses Generators, also auch die Belastung der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise des Dieselmotors, über den ganzen Arbeitsbereich konstant. Das Stromerzeugungsaggregat läuft also mit gleicher Drehzahl und gleicher Belastung unabhängig von dem Antriebsmoment, beispielsweise der Zugkraft am Radumfang des Fahrzeugs. Bei jeder Geschwindigkeit des letzteren ist daher

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die Verbrennungskraftmaschine gleichmäßig, also voll ausgenutzt.

Im Hauptarbeitsbereich des Generators, bei vorliegender Ausführungsform beispielsweise zwischen den Punkten A₁ und A₂, wird nun durch die eingangs näher gekennzeichnete Erfindung eine Übereinstimmung der tatsächlichen Generatorcharakteristik mit der Ideallinie (Hyperbel a) erreicht. Nach der Er-

to findung wird nämlich die Erregerspannung so beeinflußt, daß ihr Abfall eine der Magnetisierungskurve ähnliche Funktion des Ankerstromes ist. Der Verlauf der Erregerspannung ist durch die Kennlinie c dargestellt. Als

ig Abszisse dient die gleiche Koordinate / wie für die Kurve a. Auf der Ordinatenachse der Schaulinie c ist die Erregerspannung B_e sowie die ihr proportionale Erregung in Amperewindungen (AW_eff) aufgetragen. Es ist zu

ao erkennen, daß die Kurve c bezüglich der Linie m einen der Magnetisierungskurve ähnlichen Verlauf hat. Der Hauptarbeitsbereich erstreckt sich entsprechend den Punkten A₁, A., vom Punkte C₁-C₂- Da die Erregeramperewindungen des Hauptgenerators vom Nullpunkt nach unten zu aufgetragen sind, ergibt sich, daß die Erregeramperewindungen bei steigendem Ankerstrom abfallen, und daß dieser Abfall eine der Magnetisierungskurve ähnliche Funktion des Ankerstromes ist. Die Kurve c stellt also die Charakteristik der Erregerspannung nach der Erfindung dar. Daß eine Erregung entsprechend dieser Schaulinde tatsächlich den durch die Kurve α gegebenen Verlauf der Spannungscharakteristik zwischen den Punkten A₁ und A₂ gewährleistet, soll im nachstehenden des näheren gezeigt werden.

Es sei ein beliebiger Punkt, beispielsweise der Punkt D₁, aus dem Kurvenstück A₁-A₂ herausgegriffen. Diesem Punkt entspricht eine bestimmte Spannung E₁, für welche an Hand der Leerlaufcharakteristik b die erforderlichen Amperewindungen ermittelt werden sollen. Die Ordinate der Linie b ist die Spannung- E des Generators, während auf der Abszisse die für den Generator erforderlichen Amperewindungen" AW_e!i aufgetragen sind. Der der Spannung E₁ entsprechende Punkt der Leerlaufcharakteristik ist mit D₂ bezeichnet. Die erforderlichen Amperewindungen lassen sich aber nicht aus diesem Punkt D₂ bestimmen, da die Linie b, wie gesagt, die Leerlaufcharakteristik darstellt und der Punkt D₁ auf der Linie α einem erheblichen Strom, nämlich dem Nennstrom 1, entspricht. Man muß also zu der Spannung JS₁ noch den Ankerspannungsabfall J₁-W_a addieren, welcher mit 5 % angenommen wurde. Mit dieser Korrektur kommt man zum Punkte D₃."""" Zu den sich hieraus ergebenden Amperewindungen sind noch die zur Berücksichtigung der Ankerrückwirkung erforderlichen Amperewindungen AW_g hinzuzuzählen. Man kommt also zum Punkte D₄, welcher bei dem gezeichneten Maßstab für die Amperewindungen AW_eff den Wert von 0,25 ergibt. Wird dieser Wert 0,25 im vierten Quadranten aufgetragen, so erhält man für.die eine Koordinate die Linie n, welche sich mit der anderen Koordinate I im Punkt D₅ schneidet. D₅ ist also ein Punkt der Erregerkurve c. In gleicher Weise wurden die Punkte C₁ und C₂ aus den Punkten A₁ und A₂ und die übrigen durch ihre Koordinaten angegeben, aber nicht näher bezeichnten Punkte der drei Kurven a, b, c ermittelt.

Ein Schaltungsbeispiel für eine Erregeranordnung, durch welche eine Erregung nach dem Kurvenstück C₁-C₂ bewirkt wird, ist in Abb. 2 dargestellt. Der Anker des Haupt-. generators ist mit d, seine fremderregte Feldwicklung mit / bezeichnet. Zwischen den Klemmen g und h sind die Verbraucher angeschlossen, beispielsweise die Motoren eines Fahrzeugs. Die Feldwicklung f wird von der Erregermaschine gespeist, deren Anker mit i und deren Polgehäuse mit k bezeichnet ist. Der Anker ist zweipolig ausgeführt, während das Polgehäuse vier Pole aufweist, von denen je zwei nach dem Prinzip des sogenannten Spaltpolgenerators zu einem halben Polsystem zusammengefaßt sind. Ein halbes Polsystem besteht aus einem Hauptpol O₁ bzw. o-, und aus einem Zusatzpol P₁ bzw. p₂. Die Hauptpole O₁, O₂ sind aus einer Batterie 1 konstant erregt; die Zusatzpole haben außer dieser konstanten Batterieerregung noch eine weitere Erregerwicklung, welche vom Hauptstrom des Generators durchflossen ist. Dies geht unmittelbar aus der Zeichnung hervor. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die vom Hauptstrom gespeiste Feldwicklung der konstant erregten entgegenwirkt. Wird Pol O₁ als Nordpol ausgeführt, dann wirkt die konstaute Erregung im Pol P₁ gleichfalls in diesem Sinne, während die Hauptstromerregung im Pol P₁ einen Südpol hervorzurufen sucht. Im äußersten Punkte A₁ bzw. C₁ des Hauptarbeitsbereiches heben sich durch entsprechende Bemessung die Wirkungen der beiden Wicklungen in den Zusatzpolen p_x und p₂ auf. Die von der Erregermaschine gelieferte Spannung entspricht also der konstanten Erregung der Hauptpole O₁ allein. In Abb. ι ist diese Spannung durch die Linie m gekennzeichnet. Da die Erregung der Pole O₁, O₂ vom Strom unabhängig ist, ist die Linie m eine zur Abszissenachse parallele Gerade. Mit dieser Erregung arbeitet also die Maschine am Beginn des Hauptarbeitsbereiches (Punkt C₁). Bei steigendem Strom

wächst nun die vom Ankerstrom erzeugte Gegenerregung der Zusatzpble. Zwischen den Punkten C₁ und C₂ wächst daher die Gegenerregung in Abhängigkeit vom Ankerstrom nach der Magnetisierungskurve. Diese deckt sich mit der Kurve c, durch welche die Stromspannungscharakteristik im Hauptarbeitsbereich nach dem Kurvenstück A₁-A₂ verläuft. Die Gesamterregung des Generators ist ίο durch die Linien T₁ bis r₆ dargestellt.

Sind die Verbraucher vom Hauptgenerator abgeschaltet, dann ist der Ankerstrom des letzteren gleich Null, also auch die Haupt-■ Stromerregung auf den Polen p_lt p'_ä der Erregermaschine. Die Erregung ist also durch den Punkt C₈ auf der Kurve c dargestellt. Die Gesamterregung der Erregermaschine setzt sich aus der konstanten Erregung der Hauptpole und der konstanten Erregung der Zusatzpole zusammen. Steigt nun der Ankerstrom, so setzt wieder die Gegenwirkung der Hauptstromwicklung auf den Zusatzpolen ein, und die Amperewindungen am Hauptgenerator verlaufen nach dem Kurvenstück C₃-Ci, ^wel~ ches gleichzeitig den Verlauf für die Spannung der Erregermaschine angibt. Im Punkte C₁ heben sich,' wie gesagt, die Wirkungen der beiden Wicklungen auf den Zusatzpolen auf, so daß lediglich die durch die Hauptpole gegebene Spannung herrscht.

Der Erregung gemäß ■ dem Kurvenstück C₁-C₃ entspricht der Teil A₁-A₃ der Stromspannungslinie. Dieser außerhalb des Hauptarbeitsbereiches liegende Teil muß natürlich von der Hyperbel α abweichen, da man sonst den praktisch unmöglichen Zustand einer unendlich großen Spannung bei dem Strom gleich Null erhalten würde. Den Verlauf des Stückes A₁-A₃ erhält man dadurch, daß die einzelnen Punkte C₁, C₃ in den ersten Quadranten zurückprojiziert werden, und zwar in ähnlicher Weise, wie im umgekehrten Sinne mit dem Punkte D₁ und den anderen Punkten des Hauptarbeitsbereiches verfahren wurde. Hierzu ist noch zu bemerken, daß der den. Punkten C₃ und A₃ entsprechende Punkt B₃ auf der Leerlauflinie b liegt, da dieser Arbeitspunkt dem Ankerstrom gleich Null entspricht, so daß ein Ankerspannungsabfall und eine Ankerrückwirkung fortfallen.

Die Kurve c verläuft deswegen vom Punkte Ci angefangen nach beiden Richtungen entsprechend der Magnetisierungslinie, da die veränderliche Erregung (Erregung der Zusatzpole) im Punkte C₁ Null, der Pol also ungesättigt ist. Im Abschnitt C₁-C₂ überwiegt allmählich die Hauptstromgegenerregung, so daß die Sättigung dieses Poles allmählich ansteigt. Im Abschnitt C₁-C₃ überwiegt die konstante Erregung auf den Zusatzpolen, so daß die Sättigung gleichfalls, aber im umgekehrten Vorzeichen allmählich größer wird.

Der Hauptgenerator weist noch eine Hauptstromwicklung λ auf, welche dazu dienen soll, im Betrieb eine etwaige Korrektur im Verlaufe der Erregerkurve zu ermöglichen, z. B. mit Rücksicht auf etwaige Drehzahlschwankungen der Verbrennungskraftmaschine. Die Wicklung 5¹ kann durch einen Umschalter T als direkte oder Gegenverbundwicklung angeschlossen werden, sie kann, wenn erforderlich, auch kurzgeschlossen sein.

Die für die Praxis erforderlichen Einzelheiten, wie Kompensationswicklung, Wendepole und ähnliche Elemente, sind der Einfachheit halber fortgelassen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Antrieb mittels Gleichstrommotoren, welche von einem durch, eine Brennkraftmaschine angetriebenen, fremderregten Generator gespeist werden, dessen Erregerspannung mit steigendem Ankerstrom fällt, insbesondere für Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermaschine als Spaltpolgenerator ausgebildet ist, wobei der als Hauptpol dienende Polkern eines jeden halben Polsystems konstant erregt ist, während der andere, als Zusatzpol dienende Polkern außer einer konstanten Erregung eine dieser entgegenwirkende, vom Generatorstrom beeinflußte Hauptschlußerregung besitzt, und daß der Abfall der Erreger spannung insbesondere im mittleren Arbeitsbereich eine der Magnetisierungskurve ähnliche Funktion des Ankerstromes ist.
2. 2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen für die beiden Erregungen des Zusatzpoles so bemessen sind, daß sich ihre Wirkungen am Beginn des mittleren Arbeitsbereiches des Hauptgenerators a'ufheben.
3. 3. Antrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung der Wirkung des Spaltpolerregers bzw. zwecks Vornahme von Korrekturen auf den Polen des Hauptgenerators eine von dessen Ankerstrom durchflossene Zusatzwicklung aufgebracht und Vorrichtungen zum Umschalten und Kurzschließen dieser Zusatzwicklung vorgesehen sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen