DE654912C - Als Motor oder Generator wirkende Gleichstrommaschine der Metadynenbauart - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen, sogenannte Metadynen, deren Erregung im wesentlichen vom Anker aus erfolgt. Eine Metadyne besteht im wesentliehen aus einem Ständer und einem mit konstanter Drehzahl umlaufenden Anker mit Stromwender. Auf dem Stromwender befinden sich primäre und sekundäre Bürsten. Letztere sind zwischen den primären Bürsten angeordnet. Die Wirkung der Maschine beruht darauf, daß die im Anker zwischen den primären und sekundären Bürsten fließenden Ströme magnetische Flüsse erzeugen. Bei konstanter Drehzahl und bei konstanter Primärspannung, welche die Primärbürsten von einer geeigneten Stromquelle aufgedrückt bekommen, bleibt der sekundäre Strom, der über die Sekundärbürsten gewöhnlich einen Belastungskreis speist, konstant oder steht in einer bestimmten Beziehung zu der an den Sekundärbürsten auftretenden Spannung. Die Maschine kann mehr als einen Stromwender und mehr als eine Läuferwicklung besitzen.

Die Wirkungsweise der Maschine ist kurz folgende: Der zwischen den primären Bürsten fließende Strom erzeugt in Richtung der primären Kommutierungsachse einen Fluß, der an den sekundären Bürsten eine EMK hervorruft. Wird der sekundäre Stromkreis geschlossen, so erzeugt der sekundäre Strom in Richtung der sekundären Kommutierungsachse einen Fluß,, der an den primären Bürsten eine Gegen-EMK hervorruft. Jede Änderung des sekundären Stromes bewirkt eine Änderung des sekundären Flusses und somit der primären Gegen-EMK derart, daß ein primärer Strom zustande kommt, der den sekundären Strom konstant zu halten versucht.

Das Zusammenwirken des primären Stromes J₁ und des sekundären Flusses Φ₂ ruft ein Motordrehmoment hervor, das dem Produkt J₁ · Φ₂ proportional ist, während das Zusammenwirken des sekundären Stromes J₂ und des primären Flusses 0_t ein Generatordrehmoment erzeugt, das dem Produkt J₂ · Φ_% proportional ist. Bei Betrieb der Metadyne als Umformer ist im allgemeinen J₁ · Φ₂ = /₂ · (P₁, so daß die Maschine praktisch kein Drehmoment entwickelt. Wird jedoch das Gleichgewicht gestört, so überwiegt entweder das Motor- oder das Generatordrehmoment, und die Maschine läuft als Motor oder als Generator.

Da J₁ den Fluß Φ,, und J₂ den Fluß Φ₂ erzeugt, besteht die Beziehung 0₁ = k₁· Z₁ und Φ₂ = k₂ · J₂, wobei k_t und k₂ Konstanten bedeuten, die von der Beschaffenheit der Kraftlinienwege abhängen. Somit ist —~jf· d. h. das Verhältnis des Motordrehmomentes

zum Generatordrehmoment hängt von der Beschaffenheit der Kraftlinienwege ab. Ist der Ständer in diesem Sinne gleichmäßig

, aufgebaut, so ist k_t = fe₂ und -^ = -γ- iinil ■ «'s- ^2 . g — i. Ist diese Bedingung erfüllt,

sind die Motor- und Generatordrehmomente gleich.

ίο Der Gegenstand der Erfindung besteht nun darin, die Metadyne so zu entwerfen, daß sie entweder als Motor oder als Generator wirkt. Zu diesem Zweck erhalten die von den primären und sekundären Flüssen durchsetzten magnetischen Kreise der Metadyne ungleiche magnetische Widerstände.

Die Erfindung ist in "der Zeichnung an einer vierpoligen Maschine in mehreren Beispielen veranschaulicht.

Die Abb. ι zeigt die Verwendung von Luftspalten im Joch des Ständers.

Die Abb. 2 zeigt die Anwendung von Luftspalten zwischen dem Anker und den Polen mit in der Umfangsrichtung zunehmender Größe.

Die Abb. 3 zeigt eine weitere Ausführung mit abgestuftem Luftspalt zwischen, dem Anker und den Polen.

Die Abb. 4 zeigt die Ausbildung des Magnetkreises der Metadyne für die Verwendung von Sehnen wicklungen.

Die in den Abbildungen dargestellten Me-

tadynen haben je zwei Sätze Primärbürsten und Sekundärbürsten, die zwischen den vier ausgeprägten Polen des Ständers entsprechend angeordnet sind.

In der Abb. 1 bedeutet A den Anker, der zwei Primärbürstensätze α und c und zwei Sekundärbürstensätze b und d besitzt. Der Ständer 5¹ besitzt vier Pole P₁, P₂, P₃ und P₄. Zur Vereinfachung wird angenommen, daß die Bürsten in den Kommutierungszonen liegen.

Der primäre Fluß wird von dem zwischen den primären Bürsten α und c fließenden Strom erzeugt und verläuft parallel zu der Achse a-c. In der Nähe der Bürsten α und c wird sich der magnetische Fluß (Primärfluß) in zwei parallele Teilflüsse teilen. Der eine Teilfluß durchsetzt die PoIeP₁, P₂ und den dazwischenliegenden Teil des Ständerjoches und der andere Teilfluß die PoIeP₄, P₃ und den zwischen diesen Polen liegenden Teil des Ständerjoches.

Der sekundäre Fluß wird von dem zwischen den sekundären Bürsten b und d fließenden Strom erzeugt und verläuft parallel zu der Bürstenachse b-d. Dieser magnetische Fluß besteht ebenfalls aus zwei Teilflüssen, die die Pole P₁, P₄ und die Pole P₂, P₃ mit dem jeweilig zwischen den betreffenden Polen liegenden Teil des Ständer Joches durchsetzen. Hierbei ist angenommen, daß sich die primären und sekundären Flüsse im Anker :.;;kreuzen.

Um die magnetischen Widerstände der von vdem primären und sekundären Fluß durchlaufenen magnetischen Kreise ungleich auszubilden, sind in dem Ständerjoch Luftspalte g_t und g₂, und zwar in dem sekundären Flußweg zwischen den Polen P₁, P₄ und P₂, P°, vorgesehen. Der primäre magnetische Fluß wird von diesen Luftspalten nicht beeinflußt, da er das Ständerjoch nur zwischen den Polen P₁, P₂ und P₃, P₄ durchsetzt.

Statt der Luftspalte g_t und g₂ können an geeigneten Stellen des Ständerjoches Schichten, von geeignetem unmagnetischem Material oder Material mit geringer Permeabilität vorgesehen oder der Querschnitt des Ständerjoches an diesen Stellen verringert werde'n, um eine Sättigung bei einem relativ kleinen Flußwert zu erreichen.

Die in der Abb. 1 gezeigte Anordnung wird den sekundären Strom stärker als den sekundären Fluß vergrößern, so daß das Produkt /2' ^i größer sein wird als das Produkt /ι·Φ₂· Die Maschine wird deshalb als Generator wirken, d. h. sie muß mechanisch angetrieben werden, um einen sekundären Strom zu liefern und um im Gleichgewicht zu bleiben.

Fügt man Luftspalte oder andere magnetische Widerstände in einen solchen Teil des Ständerjoches ein, daß der Primärfluß diese Widerstände zu durchfließen hat und der Fluß nicht beeinflußt wird, so wird gerade umgekehrt wie bei der in Abb. 1 gezeigten Anordnung der Sekundärfluß stärker sein als der sekundäre Strom, so daß das Produkt J₁ · Φ ioo größer sein wird als das Produkt/₂ · Φ. Die Maschine wird deshalb als Motor wirken, d.h. sie muß Strom aufnehmen, um im Gleichgewicht zu bleiben. In beiden Fällen ist die Stromspannungskennlinie ziemlich tos steil, ähnlich wie die eines Gleichstromschweißgenerators.

Die in der Abb. 2 gezeigte Anordnung benutzt statt der Luftspalte ^₁ und g₂ Luftspalte zwischen dem Ankert und den PolenP, deren Größe über die Polbogenlänge, d. lira der Umfangsrichtung, nicht konstant ist. Der primäre Fluß wird hauptsächlich diejenigen Stellen der Pole durchsetzen, die den Bürsten α und c am nächsten liegen, und der sekundäre Fluß entsprechend diejenigen Stellen, die den Bürsten b und d am nächsten liegen. Durch eine derartige Sättigung der Luftspalte wird der Widerstand des sekundären magnetischen Kreises wesentlich größer sein als der des primären magnetischen Kreises.

Die gleiche Wirkung kann auch dadurch erreicht werden, daß der Luftspalt zwischen den Polen und dem Anker gemäß Abb. 3 abgestuft ist.

Die Anwendung der Erfindung ist besonders dann zweckmäßig, wenn Sehnenwicklungen auf dem Anker vorhanden sind. Unter dem Ausdruck „Sehnenwicklung" sollen hierbei Wicklungen verstanden werden, welche einen mittleren Wicklungsschritt von etwa 90 elektrischer! Graden besitzen, im Gegensatz zu gewöhnlichen Wicklungen, den sogenannten Durchmesserwicklungen, welche einen Wicklungsschritt von 180 elektrischen Graden besitzen. Bei einer zweipoligen Maschine, also einer Maschine mit nur einem primären und einem sekundären Bürstenpaar, würde der Anker eine Wicklung erhalten, die im wesentlichen einer normalen vierpoligen Wicklung gleichen würde. In einem derartigen Anker sind die primären und sekundären Kommutierungsachsen um 90 elektrische Grade voneinander versetzt. Der primäre Strom erzeugt einen primären Fluß, dessen Achse etwa 45 elektrische Grade von den beiden primären Kommutierungsachsen versetzt ist, d. h. zwischen ihnen verläuft. Die primären und sekundären Flüsse sind deshalb um 90 Grad voneinander versetzt. Für diesen Fall ergeben sich besonders übersichtliche Verhältnisse für die Kraftflüsse, so daß die Anordnung der magnetischen Widerstände mit einfachsten Mitteln möglich ist. So ist es beispielsweise nicht erforderlich, daß das Ständerjoch wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 aufgeschnitten ist, um durch Luftspalte oder Bronzeeinlagen den erhöhten magnetischen Widerstand herzustellen. Bei dieser Anordnung werden vielmehr die erhöhten magnetischen Widerstände in die Pole verlegt, die Kraftflüsse werden dabei sauber getrennt, nur je ein Paar gegenüberliegende Pole durchsetzen.

Die Anordnung der Pole im Ständer soll bewirken, daß der gesamte primäre Fluß ζ. Vj.

die Pole P₁, P₃, der sekundäre Fluß die Pole P₂, P₄ durchsetzt. Die magnetischen Flußachsen werden in diesem Falle mit den Polachsen anstatt mit den Bürstenachsen zusammenfallen. Eine derartige Maschine ist besonders als Schweißgenerator geeignet.

Die Abb. 4 zeigt eine Anordnung mit einer nicht gezeichneten Sehnenwicklung, bei welcher der Widerstand des primären magnetischen Kreises durch Vergrößerung des Luftspaltes zwischen dem Anker und den Polen P₁, P₃ erhöht worden ist. Es wird hierbei angenommen, daß die primäre Flußachse mit der Achse der Pole P₁, P₃ zusammenfällt.
Anstatt den Luftspalt zwischen dem Anker und den Polen P₁ und P₃ zu vergrößern, können auch "Schichten aus unmagnetischem Material oder Material mit geringer Permeabilität, z. B. zwischen den Polen P₁, P₃ und dem Ständerjoch oder zwischen den Polschuhen und den Polschenkeln der PoIeP₁₁P₃, eingefügt sein. Eine ähnliche Wirkung würde man natürlich auch durch in dem Ständerjoch vorgesehene Luftspalte erzielen, wie in Abb. 1 dargestellt.

Wird die Sehnen wicklung bei einem Anker mit zwei Wicklungen, also einer getrennten primären und sekundären Wicklung, verwendet, so ist es nicht erforderlich, daß der Wicklungsschritt jeder der beiden Wicklungen 90 Grad beträgt. Die Wicklungsschritte der beiden Wicklungen können dann auch voneinander verschieden sein. Bedingung ist allerdings hierbei, daß die Wicklungsschritte der beiden Wicklungen sich zu 180 Grad erganzen, so daß die Kommutierungszonen der beiden Wicklungen zusammenfallen. Die Kommutierungsachsen werden in diesem Falle jedoch nicht rechtwinklig zueinander verlaufen, und der Polbogen wird verschieden sein.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf magnetisch und elektrisch zweipolige Maschinen, wie sie in der Zeichnung dargestellt sind, sondern sie kann natürlich auch bei mehrpoligen Maschinen Anwendung finden, vorausgesetzt, daß die Zahl der Bürsten und Pole ein Vielfaches der entsprechenden, in dem Ausführungsbeispiel angegebenen Zahlen ist.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Als Motor oder Generator wirkende Gleichstrommaschine der Metadynenbauart mit zwischen den Primär- und Sekundärbürsten angeordneten Polen von gleicher Polteilung, dadurch gekennzeichnet, daß die von den primären und sekundären Flüssen durchlaufenen magnetischen Kreise ungleiche magnetische Widerstände besitzen.

2. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer ausgeprägte Pole besitzt und im Joch Luftspalte oder Einfügungen aus einem unmagnetischen Stoff oder einem Stoff mit geringer Permeabilität vorgesehen sind, die entweder in dem magnetischen Kreis des primären oder des sekundären Flusses liegen.

3. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder 2, ■ dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen dem Anker und dem Polschuh der ausgeprägten Pole an den von dem primären Fluß durchsetzten Stellen des Polbogens entweder größer oder kleiner ist als an den von dem sekun-

dären Fluß durchsetzten Stellen des PoI-bogens.

4. Gleichstrommaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen dem Anker und den Polen sich in- der Umfangsrichtung stetig verjüngt oder entsprechend abgestuft ist.

5. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker eine Sehnenwicklung besitzt und der Widerstand des magnetischen Kreises bei Maschinen mit einem Polpaar über zwei einander gegenüberliegende Pole von entgegengesetzter Polarität größer ist als über die beiden anderen Pole.

6. Gleichstrommaschinenach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen dem Anker und zwei einander gegenüberliegenden Polen relativ größer ist als zwischen dem Anker und den beiden anderen Polen.

7. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die entweder in dem primären oder in dem sekundären Flußweg liegenden Teile des Ständer] oches einen verringerten Querschnitt aufweisen.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen