DE646983C - Anordnung zur Verbesserung der Kommutierung von mehrphasigen Wechselstromkommutatormaschinen - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf mehrphasige Wechselstromkommutatormaschinen. Diese Maschinen besitzen u. a. den Nachteil, daß es mit Schwierigkeiten verbunden ist, bei ihnen eine befriedigende Kommutierung zu erhalten. Bei Gleichstrommaschinen sind die Feldpole und auch die Kommutatorbürsten feststehend, so daß die letzteren in eine Lage eingestellt werden können, in der die Flußdichte gleich Null ist (daß es in der Praxis zweckmäßig ist, die Bürsten nicht genau in diese Lage einzustellen, ist jedem Fachmann bekannt und ist hier nicht von Bedeutung). Bei mehrphasigen Wechselstromkommutatormaschinen wird der Feldfluß durch Wechselstrom erzeugt, und die Pole sind nicht feststehend, sondern laufen um. Da die Bürsten jedoch feststehen, findet infolge des Drehfeldes die Kommutierung der von den Bürsten kurzgeschlossenen Windungen in eftiem Felde statt, das sich von einem Minimum bis zu einem Maximum ändert. In der Maximumlage werden in den kurzgeschlossenen Windungen starke Kurzschlußströme erzeugt, und die Folge hiervon sind die bekannten Schwierigkeiten bei der Kommutierung, die bisher die Größe und die Verwendung dieser Maschinen begrenzt und die Herstellung derselben teuer gemacht haben.

Es ist seit langem bekannt, daß die Kommutierungsbedingungen bei derartigen Maschinen durch verschiedene Maßnahmen verbessert werden können, von denen die folgenden üblicherweise zur Verwendung kommen:

a) die Verwendung von kommutierenden Polwicklungen am Stator,

b) Kompensationswicklungen, die die Rotoramperewindungen ausgleichen,

c) die Verwendung von Stator- oder Rotorwicklungen mit verkürztem Wicklungsschritt,

d) eine Kombination der vorerwähnten Maßnahmen.

Diese Verfahren leiden jedoch an einem Mangel an Anpassungsfähigkeit, haben eine Instabilität der Maschine zur Folge oder sind teuer. Diese Nachteile können in vielen Fällen sogar gleichzeitig auftreten.

Bei den verschiedenen Wechsel'stromkommutatormaschinen (z. B. Motoren mit veränderlicher Geschwindigkeit, kompensierten Induktionsmotoren, Phasenschiebern usw.) wird das wirksame magnetische Feld, je nach der ■ Art der Maschine, von den Statorwicklungen oder von den Rotorwicklungen oder von beiden .Wicklungen erzeugt. Das jeweils verwendete Verfahren zur Verbesserung der Kommutierung war von der Beschaffenheit der in Frage kommenden Maschine abhängig, und jedes Verfahren wies seine besonderen Nachteile auf. Bei Phasenschiebern wurden

beispielsweise Wendepole oder Ausgleichswicklungen verwendet, um die Kommutierung zu verbessern; aber es* wurde gefunden, daß die Maßnahmen die Stabilität der Maschine nachteilig beeinflussen.

Trotz Verwendung von derartigen Hilfsmitteln ist jedoch bei Wechselstromkommutatormaschinen die Kommutierung noch unbefriedigend. Der Hauptzweck der Erfindung ίο ist nun, die Kommutierung bei Maschinen der erwähnten Art zu verbessern.

Die Erfindung besteht darin, daß eine mit den Kommutatorbürsten verbundene Statorwicklung vorgesehen W'ird, die ein gegenüber dem Rotorfeld entgegengesetzt umlaufendes Feld verschiedener, ein Vielfaches der Polpaarzahl des Rotors betragender Polpaarzahl erzeugt und diese Felder derart angeordnet werden, daß durch ihre gegenseitige Einwirkung die erwünschte Anzahl von feststehenden Konimutierungszonen entsteht, wobei die Rotorspulen mit einem Schritt gewickelt werden, der annähernd dem Abstand der erwähnten Zonen entspricht.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise in Verbindung mit einem Phasenschieber schematisch dargestellt.

Fig. ι zeigt einen Phasenschieber gewöhnlicher Art.

Fig. 2 zeigt einen Phasenschieber gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Rotorwicklung. Fig. 4 zeigt die Statorwicklung eines dreiphasigen zweipoligen Phasenschiebers. Fig. 5 zeigt eine andere Ausbildung der Statorwicklung.

Die Erfindung ist im folgenden in Verbindung mit einer zweipoligen Dreiphasenmaschine beschrieben, aber sie kann selbstverständlich auch bei den in der Praxis gebräuchlicheren Maschinen mit mehr als zwei Polen Anwendung finden.

Fig. ι zeigt einen Phasenschieber gewöhnlicher Art ohne Kommutationswicklungen *5 mit einem bewickelten Rotor und einem nicht bewickelten Stator. Der Rotor wird von einer äußeren Kraftquelle, beispielsweise über Riemen, angetrieben und erhält Strom von einer äußeren Stromquelle, beispielsweise von der Sekundärseite des Hauptinduktionsmotors, mit dem er gekuppelt ist.

Es soll nun beispielsweise der Augenblick betrachtet werden, in dem der in die Bürste 1 eintretende Strom sein Maximum erreicht hat und die Ströme in den Bürsten 2 und 3 die Hälfte dieses Wertes besitzen. Die Mittelachse des in diesem Augenblick von den in den Rotorleitern fließenden Strömen erzeugten zweipoligen Feldes wird dann die durch den Pfeil 4 angedeutete Lage einnehmen, und dieser Pfeil wird sich drehen, wenn die Phasen der Ströme sich ändern. Der Rotor wird von seinem Antrieb schneller gedreht, als das von dem ihm zugeführten Strom erzeugte magnetische Feld sich dreht, so daß die Rotorleiter diesem Feld vorauseilen und es. schneiden werden. Die Leiter 5 werden daher, wenn sie durch die Bürste 1 kurzgeschlossen sind, die maximale Felddichte durchschneiden, und infolgedessen wird eine schlechte Kommutierung eintreten.

Fig. 2 zeigt, wie bei Maschinen dieser Art gemäß der Erfindung eine gute Kommutierung erzielt werden kann. Die Achse des zweipoligen Hauptfeldes befindet sich in einem gegebenen Augenblick in derselben Lage wie oben, wie durch den Pfeil 4 angedeutet ist. Der Stator ist aber außerdem mit Dreiphasenwicklungen (nicht dargestellt) versehen, die unmittelbar oder über einen Transfonnator mit den Bürsten verbunden sind, und diese Wicklungen sind derart angeordnet, daß sie dem Rotorfelde ein vierpoliges Feld überlagern, das sich entgegengesetzt dem Hauptfelde und mit der halben Geschwindigkeit dieses Feldes dreht. Die Lagen, die die Mittelachsen der vier Statorpole in demselben Augenblick einnehmen, sind durch die Pfeile 6, 7, S, 9 angedeutet, während die Pfeilköpfe die Richtung der Magnetfelder zeigen. Wenn die maximale Feldstärke längs der durch den Pfeil 6 angedeuteten Achse gleich der maximalen Stärke des zweipoligen Hauptfeldes längs der durch den Pfeil 4 angedeuteten Achse gemacht wird, diese Feldstärken im Punkte 10 also gleich und entgegengesetzt sind, entsteht eine flußlose Zone oder Kommutierungszone.

Die magnetische Flußdichte, die von einer zweipoligen Dreiphasenwicklung im Luftspalt der Maschine erzeugt wird, ändert sich annähernd mit dem Sinus des von dem Punkte mit der Dichte Null aus gemessenen Winkels. Entsprechend ändert sich die Flußdichte, die von einer vierpoligen Dreiphasen- wicklung erzeugt wird, mit dem Sinus des doppelten, von dem Punkte mit der Flußdichte Null aus gemessenen Winkels. In dem Teil des Luftspaltes, der durch den Pfeil 7 gekennzeichnet ist, ist die Dichte des zweipoligen Feldes gleich Null. In dem Punkte 11, der um 30⁰ vom Pfeil 7 entfernt ist, muß die Dichte des zweipoligen Feldes die Stärke von 50% aufweisen (da sin 30⁰ gleich 0,5 ist), wobei das Magnetfeld nach innen gegen den Mittelpunkt zu gerichtet ist. In dem Vierpolsystem ist ein Punkt von der Dichte Null in der Mitte zwischen den Pfeilen 7 und 8 oder in einem Abstand von 45⁰ vom Pfeil 7 bzw. 15⁰ vom Punkt 11 vorhanden. Im Punkt 11 beträgt daher die Dichte des vierpoligen Feldes ebenfalls 50°/,, (da sin 2 χ 15⁰

gleich 0,5 ist), aber das Magnetfeld verläuft in der Richtung von dem Mittelpunkt nach außen. Im Punkte 11, der um 120⁰ von dem Punkte 10 entfernt ist, sind also die Stärken des zweipoligen und des vierpoligen Feldes gleich und entgegengesetzt gerichtet, so daß hier eine zweite Kommutierungszone entsteht. Entsprechend entsteht eine dritte Kommutierungszone in dem Punkte 12, der von den Punkten 10 und 11 gleich weit entfernt ist.

Da das vierpolige Feld entgegengesetzt dem zweipoligen Felde sich dreht, und zwar mit der halben Geschwindigkeit des letzteren, wird bewirkt, daß die Kommutierungszonen 10, 11 und 12 im Räume stehenbleiben. Der Abstand zwischen den Rotorspulen 15 in Fig. 3 wird hierbei so groß gemacht, daß sie annähernd mit der Breite der Kommutierungszonen zusammenfällt, und in dieser Weise können für die Bürsten am Kommutator Stellungen ausgewählt werden, in denen sie nur die durch die Kommutierungszonen gehenden Windungen kurzschließen.

Durch Veränderung des Stärkeverhältnisses zwischen dem zweipoligen und dem vierpoligen Felde können Flüsse von einem beliebigen erforderlichen Wert nach innen oder außen durch die Kommutierungszonen gesandt werden. Aus den folgenden Überlegungen wird.hervorgehen, daß ein gewisser Fluß immer notwendig ist.

Es soll beispielsweise angenommen werden, daß die Umlaufgeschwindigkeit der Rotorleiter gleich n_a, diejenige des zweipoligen Feldes gleich U₂ und diejenige des vierpoligen Feldes gleich n^ ist. Die augenblickliche Spannung in einem beliebigen Rotorleiter ist proportional der Flußdichte in dem von dem Leiter durcheilten Punkt und der Winkelgeschwindigkeit des Rotorleiters im Verhältnis zum Felde. Bezeichnet B₂ die Dichte des zweipoligen Feldes und B₄ die Dichte des vierpoligen Feldes, so beträgt die von dem zweipoligen Felde erzeugte Spannung B₂ (ji_a — n₂) und die von dem vierpoligen Felde erzeugte Spannung B^ (n_a -}- ^₄). Diese Beziehungen ergeben sich aus der Tatsache, daß sich der Rotor in derselben Richtung wie das zweipolige Feld, aber entgegengesetzt dem vierpoligen Felde dreht. Bei einer Spannung vom Werte Null im Rotorleiter müssen diese Spannungen gleich und entgegengesetzt sein, und es ergibt sich hieraus das folgende Verhältnis zwischen den Feldstärken:

n_a-

■n.,

Da eine Spannung Null jedoch nicht erwünscht ist, ist es notwendig, dieses Verhältnis abzuändern, so daß ein zusätzlicher Fluß die Kommutierungszone durchsetzt und eine Spannung erzeugt wird, die die in einer_ der Kommutierung ausgesetzten Windung erzeugte Spannung der Selbstinduktion überwinden kann. Dieser zusätzliche Fluß übt mit anderen Worten dieselbe Wirkung aus wie der Wendepolfluß einer Gleichstrommaschine.

Fig. 4 zeigt eine einfache Statorwicklungsanordnung gemäß der Erfindung für einen zweipoligen Phasenschieber für Drehstrom, die ein vierpoliges Komniutierungsfeld erzeugt, das sich entgegengesetzt dem Rotorfelde dreht. Die Figur zeigt drei ähnlich gewickelte Phasenwicklungen.

Die Phase A umfaßt die Spulen 20 und 21 sowie die Bürste 1 und Zwischenverbindungen.

Die Phase B umfaßt die Spulen 22 und 23 sowie die Bürste 2 und Zwischenverbindungen.

Die Phase C umfaßt die Spulen 24 und 25 sowie die Bürste 3 und Zwischenverbindungen.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, die von der in Fig. 4 dargestellten abweicht und dazu dient, die von der Rotorwicklung erzeugten Komponenten doppelter Frequenz durch von der Statorwicklung erzeugte Komponenten derselben Frequenz auszugleichen. Gemäß Fig. 5 sind der Stator wicklung Leiter zugefügt, die eine zweipolige Statorkomponente erzeugen, welche im Zusammenwirken mit der zweipoligen Rotorkomponente eine Winkelverschiebung des resultierenden Flusses in der Maschine hervorruft, ohne daß hierbei Harmonische der Frequenz entstehen, die bei anderen Wicklungsarten vorkommen können.

Die Phase A enthält die Spulen 30 bis 36 und die Bürste 1. ·

Die Phase B enthält die Spulen 37 bis 43 sowie die Bürste 2.

Die Phase C enthält die Spulen 44 bis 50 sowie die Bürste 3.

Um die Breite der Kommutierungszonen zu vergrößern, kann an diesen Stellen der Zwischenraum zwischen benachbarten Wicklungen vergrößert werden, beispielsweise durch Fortlassen einer Spule.

Bei allen beschriebenen Anordnungen können für bekannte Zwecke Statorwindungen zugefügt werden, die mit den Bürsten parallel geschaltet sind, und diese Windungen werden vorzugsweise so angeordnet, daß sie einen Abschnitt des Statorumfanges einnehmen, der keine Kommutierungszone enthält. Diese Statorwicklungen sollen aber vorzugsweise den größten Teil des Umfanges zwischen derartigen Zonen überspannen, so daß sie vorteilhaft von dem Rand einer Kommutierungszone bis in die Nähe des benach-

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harten Randes der nächsten Kommutierungszone verlaufen.

Wenn die Maschine, wie-es in der Praxis meistens der Fall sein wird, mehr als zwei Pole, z. B. «Pole, besitzt, so erzeugt die Hauptwicklung η Pole und die Kommutierungswicklung 2 η Pole. Es entstehen deshalb

-— Kommutierungszonen, die längs des An-

kerumfänges in gleichen Abständen verteilt sind. Die Rotorwicklungen werden mit zwei Drittel des vollen w-Polwicklungsschrittes gewickelt.

Das soeben beschriebene Verfahren ist nicht nur auf die Verwendung von zwei Feldern beschränkt, von denen das eine doppelt soviele Pole aufweist wie das andere. Bei einer Maschine für zwei oder vier Phasen kann dies erreicht werden mit einem Hauptfeld, das zwei Pole besitzt, und einem Kommutierungsfeld, das sechs Pole aufweist und sich mit einer Geschwindigkeit dreht, die ein Drittel der Geschwindigkeit des Hauptpolfeldes beträgt. Hierdurch entstehen vier

as Kommutierungszonen, so daß die Maschine für Zwei- oder Vierphasenbetrieb verwendbar ist. Die Rotorleiter können in diesem Falle derart angeordnet werden, daß sie je nach der Anzahl der zur Verwendung kommenden Phasen benachbarte Kommutierungszonen oder den Zwischenraum zwischen diesen Zonen überspannen.

Die Wicklungen können von jeder beliebigen geeigneten Art sein. Auch können noch andere Statorwicklungen bekannter Art und für bekannte Zwecke angeordnet werden.

Die Erfindung kann bei Wechselstromkommutatormaschinen verschiedener Art verwendet werden, beispielsweise bei Reihenschluß-, Nebenschluß- oder Kompoundmaschinen mit festen oder veränderlichen Geschwindigkeitsoder Spannungskennlinien, bei kompensierten Induktionsmotoren, Phasenschiebern für Tnduktionsmotoren und Frequenzwandlern.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Verbesserung der Kommutierung von mehrphasigen Wechselstromkommutatormaschinen, gekennzeichnet durch eine mit den Kommutatorbürsten verbundene Statorwicklung, die ein gegenüber dem Rotorfeld¹ entgegengesetzt umlaufendes Feld verschiedener, ein Vielfaches der Polpaarzahl des Rotors betragender Polpaarzahl erzeugt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relativen magnetischen Stärken der entgegengesetzt umlaufenden Felder derart bemessen sind, daß der Spannungsunterschied, der in einem beliebigen Leiter beim Durchgang durch die Kommutierungszonen infolge der relativen Umdrehung im Verhältnis zu den beiden Feldern entsteht, annähernd gleich und entgegengesetzt der Selbst-Induktionsspannung ist, die von dem den Leiter durchfließenden Strom erzeugt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen