DE664533C - Staenderwicklung fuer Wechselstrom-Reihenschluss-Kollektormotoren mit feststehenden Buersten - Google Patents

Description

Normale Wechselstromkollektor - Bahnmotoren haben im Ständer ausgeprägte Haupt- und Wendepole, zwischen ihnen Nuten von genügender Größe zur Aufnahme der gesamten Hauptpol- und Wendepolwicklung, im Hauptpol selbst eine Reihe kleinerer Nuten zur Aufnahme der Kompensationswicklung; Haupt- und Wendepolwicklung müssen aus elektrischen Gründen eine gewisse Mindestzahl von Amperewindungen besitzen, die in einem bestimmten Verhältnis zu den Anker-AW stehen. Da ferner die Wicklungen eng konzentriert liegen müssen und schlecht abkühlen, ist ein ziemlich großer Wicklungsquerschnitt erforderlich. Dies bedingt aber auch einen großen Querschnitt für die Nut, und zwar besonders in radialer Richtung (Höhe), da eine Ausdehnung in die Breite den Polbogen zu stark vermindern würde.

Über diesen Nuten liegt aber gerade derjenige Teil des Eisenrückens (Blechrückens), der das volle Feld (Haupt- und Wendefeld) führen muß und der andererseits nur mäßig gesättigt sein darf, weil sonst das Wendefeld nicht mehr proportional mit dem Strom ansteigen würde. Aus diesen Gründen muß das Ständerblech gerade an diesen Stellen eine erhebliche radiale Höhe besitzen. Nun ist aber bei Bahnmotoren der Außendurchmesser des Ständerbleches fast in allen Fällen durch Abmessungen des Antriebes (Abstand von Schienenoberkante, Durchmesser des großen Zahnrades, Übersetzung, Durchmesser von Achse und Lager usw.) eng begrenzt. Je höher das Ständerblech, um so kleiner muß der Ankerblechdurchmesser und damit die Leistung des Motors werden. Es ist daher sehr erwünscht, daß die S tänder blechhöhe gering ist.

Derartige Maschinen sind an sich bereits bekannt, und zwar werden bei diesen Maschinen verteilte Feldwicklungen an Stelle von konzentrierten verwendet. Der Gedanke war dabei, sowohl dem Haupt- 'wie dem Wendefeld annähernd sinusförmige Gestalt zu geben. Das Wendefeld ist gegen das Hauptfeld bekanntlich um 90⁰ verschoben, hat aber eine viel kleinere Amplitude (Scheitelwert). Beide setzen sich (ähnlich wie im Kräfteparallelogramm) zu einem gemeinsamen Gesamtfeld zusammen, das gegen das Hauptfeld etwas verschoben ist und einen wenig größeren Scheitelwert besitzt, aber auch sinusförmig ist. Diese Form ist bekanntlich in allen elektrischen Maschinen die günstigste, sie gibt die geringsten Verluste. Man kann sich die Wirkung ganz einfach auch so vorstellen, als ob von vornherein nur ein einziges Feld vorhanden wäre und die Bürsten (beim Motor) gegen die Neutrale dieses Feldes so weit zurückgezogen werden, daß sie richtig kommutieren, etwa so, wie man das bei den alten Gleichstrommaschinen ohne Wendepole tatsächlich gemacht hat.

Bei den angeführten bekannten Anord-

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

Dr.-Ing. Paul Müller in Berlin-Schöneberg.

nungen ist teilweise tatsächlich Bürstenverstellung zum Wechseln der Fahrtrichtung sowohl wie zum Regeln der Drehzahl in einem gewissen Bereich benutzt worden. B kannt ist jedoch auch eine Ständerwicklung für Wechselstrom -Reihenschluß - Kollektor motoren mit feststehenden Bürsten, die an Hand der Fig. ι bis 4 näher erläutert sei.

Fig. ι zeigt das vollständige Schema der stromführenden Leiter für Rechtslauf.

Unter dem waagerechten Strich, der den Luftspalt des Motors darstellt, ist die Ankerwicklung α angedeutet, beispielsweise mit neun Nuten je Pol; die Stromrichtung ist in bekannter Weise durch Kreuze und Punkte angegeben. Der Ständer (über dem Strich) erhält zunächst eine Kompensationswicklung c mit ebensoviel Leitern wie die Ankerwicklung, aber natürlich mit entgegengesetzter Stromrichtung.- Darüber liegt eine gleichfalls über den ganzen Umfang gleichförmig verteilte Erregerwicklung e. Sie ist aber gegenüber der Polmitte um einen bestimmten Betrag, z.B. I¹Z₂ Nuten, verschoben; die Stromrichtung in den Nutenleitern der Erregerwicklung ändert sich daher zwischen den Nuten 6 und 7 statt in der Mitte der Nut 5, Die Bürsten liegen infolgedessen nicht genau in der Neutralen des Gesamtfeldes — es wäre dann kein Wendefeld vorhanden —, sondern bereits innerhalb der Feldkante, so daß sie richtig kommutieren.

Fig. 3 zeigt dasselbe für Linkslauf; Ankerund Kompensationswicklung sind genau so wie vorher angeordnet, die Feldwicklung ist aber umgeschaltet und gleichzeitig nach der anderen Richtung verschoben wie bei Rechtslauf.

Man sieht nun, daß bei Rechtslauf (Fig. i) 4.0 die Nuten 7, 8, 9, 16,17, 18 usw. je zwei Leiter mit entgegengesetzt gerichteten gleichen Strömen enthalten; man kann diese Leiter daher auch ganz abschalten, ohne an der Wirkung der Wicklung irgend etwas zu ändem. Ebenso liegen bei Linkslauf (Fig. 3) die Verhältnisse in den Nuten 1,2, 3, 10, 11, 12; man kann also die Ständerwicklung in drei Teile zerlegen, deren Spulen gruppenweise in den Nuten 1 bis 3, 4 bis 6 oder 7bis 9 und ebenso beim nächsten Pol in den Nuten 10 bis 12, 13 bis 15 oder 16 bis 18 liegen. Davon schaltet man, wie Fig. 2 zeigt, für Rechtslauf den ersten und zweiten Teil ein, für Linkslauf, gemäß Fig. 4, den zweiten und dritten Teil ein. Die Wicklung erhält dann äußerlich die Form einer dreiphasigen Sternwicklung, läßt sich also sehr einfach und billig herstellen.

Diese bekannte Anordnung hat nun aber noch einige wesentliche Nachteile.

Voraussetzung ist nämlich, daß die Erregerwicklung je Ständernut ebensoviel Amperewindungen liefert wie die Kompensationswicklung. Das ist nicht immer günstig, vielfach wird die Amperewindungszahl für die Erregerwicklung dabei unerwünscht hoch; man muß dann einen zu großen Luftspalt vor-'sehen, was einen schlechten Leistungsfaktor des Motors bedingt. Sodann liefert die notwendigerweise über die ganze Polteilung verteilte Erregerwicklung eine dreieckförmige Ämperewindungskurve; das Magnetfeld wird daher, solange keine nennenswerte Sättigung des Eisens vorliegt, eine verhältnismäßig spitze Form haben, die nicht günstig ist.

Ferner ist es bei dieser Wicklungsanordnung praktisch unmöglich, ein phasenverschobenes Wendefeld durch Anwendung eines Parallelwiderstandes zur Wendepolwicklung zu schaffen, weil eine Wendewicklung tatsächlich nicht vorhanden ist. Endlich ist auch bei dieser Wicklung die sog. Wendezone häufig zu schmal, so daß die kommutierenden Ankerspulen teilweise außerhalb des in der Polteilung als Wendepol dienenden Zahnes liegen.

Diese Mängel sollen durch die Erfindung behoben werden. Diese besteht vor allem darin, daß die vorbeschriebene Ständerwicklung dahin abgeändert wird, daß der für jede Drehrichrung theoretisch wirksame Teil der Erregerwicklung nicht den ganzen Umfang umfaßt. Dies soll im folgenden an Hand der Fig. 5 bis 10 erläutert werden.

Fig. 5 zeigt das Schema der stromführenden Leiter bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Maschine für Rechtslauf. Die Erregeramperewindungen sind wieder gleichförmig verteilt, aber nicht über den ganzen Umfang, sondern es sind je Pol einige Nuten stromfrei; z. B. sind die Nuten 1 bis 5, 8 bis 14, 17 und 18 mit stromführenden Leitern besetzt, die Nuten 6,7 und 15, 16 stromfrei. Die AW-Kurve besitzt dann Trapezform, so daß sich die Feldform praktisch stark der gewünschten Sinusform nähert. In den Nuten 8 ■ und 9 führen die Kompensations- und Erregerleiter entgegengesetzte Ströme, sie können daher ganz abgeschaltet werden. Das gleiche gilt von den Leitern in den Nuten 17 und 18.

Fig. 6 zeigt das Ersatzbild der Anordnung. Die Nuten ι bis 5 enthalten je zwei stromführende Leiter, die Nuten 6, 7 je einen stromführenden Leiter. Die Nuten 8, 9 sind stromlos. Im nächsten Pol enthalten wieder die Nuten 10 bis 14 je zwei stromführende Leiter und die Nuten 15, 16 je einen stromführenden Leiter, während die Nuten 17, 18 stromlos sind.

Bei der Drehrichtung »Links« wird die Feldwicklung umgeschaltet und nach der an-

deren Seite verschoben. Die Fig. 7 und 8 zeigen das entsprechende Schema der Stromleiter bzw. das Ersatzbild.

Setzt man die Fig. 6 und 8 zusammen, so ergibt sich zunächst, wie in Fig. 9 durch ausgefüllte Kreise gezeigt ist, daß in der oberen Reihe je Pol je ein Stab beiden Schaltungen gemeinsam ist und in der unteren Reihe je fünf Stäbe beiden Schaltungen gemeinsam

to sind. Da es aber für die Wirkung der Wicklung praktisch gleichgültig ist, welche Stäbe einer Nut in der Oberschicht und in der Unterschicht liegen, solange die Stirnverbindungen so hergestellt sind, daß die Stäbe von Strom in der erforderlichen Richtung durchflossen werden, können die in den Nuten 6, 7, 12 und 13 gelegenen beiden Stäbe in ihrer Lage miteinander vertauscht werden, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Die Leiter, die für beide Schaltungen stromführend sind, bilden den Wicklungsteil Λ". Es sind dies je ein Leiter in den Nuten 3, 4, je zwei Leiter in Nut 5, je ein Leiter in den Nuten ö, 7, ebenso im nächsten Pol je ein Leiter in den Nuten 12, 13, je zwei Leiter in Nut 14, je ein Leiter in Nut 15, 16. Außerdem ist für Rechtslauf der Wicklungsteil Y eingeschaltet, dessen Leiter durch zwei konzentrische Kreise angedeutet sind. Dieser Wicklungsteil umfaßt je zwei Leiter in den Nuten 1,2, je einen Leiter in den Nuten 3, 4, ebenso in dem anderen Pol je zwei Leiter in den Nuten 10, 11, je einen Leiter in den Nuten 12, 13. Für Linkslauf tritt an die Stelle des Wicklungsteiles Y der Wicklungsteil Z, dessen Leiter durch einfache Kreise angedeutet sind. Dieser Wicklungsteil umfaßt je einen Leiter in den Nuten 6, 7, je zwei Leiter in den Nuten 8, 9, je einen Leiter in den Nuten 15, 16 sowie je zwei Leiter in den Nuten 17, 18.

Auch diese Wicklung kann ohne weiteres als Schablonenwicklung, auch Faßwicklung genannt, ausgeführt werden, also mit gleichartigen Einzelspulen; denn den vier obenliegenden Leitern des Wicklungsteiles Y in den Nuten i, 2, 3, 4 entsprechen genau die untenliegenden Leiter der gleichen Wicklung in den Nuten 10 bis 13, den oberen Leitern der Wicklung Y in den Nuten 10, 11 die unteren Leiter in den Nuten 1, 2 der gleichen Wicklung.

Auch die Wicklungsteile X und Z sind derartig symmetrisch, daß sie aus lauter vollkommen gleichen Spulen aufgebaut werden können. Die Ausbildung der Wicklung gemaß der Erfindung hat gegenüber der bekannten Anordnung den besonderen Vorteil zur Folge, daß die Feldkurve eine wesentlich günstigere ist, d. h. sich der gewünschten Sinusform nähert.

Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann nun diese Wicklung noch derart abgeändert werden, daß die Windungszahl der Kompensationswicklung und der Erregerwicklung in jeder Nut verschieden groß ist.

In der Regel wird man bei der Kompensationswicklung eine größere Windungszahl vorsehen als bei der Erregerwicklung. Dies kann erfindungsgemäß in der Weise erzielt werden, daß, wenn beispielsweise χ Amperewindungen in jeder Nut für die Erregung •und y Amperewindungen je Nut für die Kompensation der Ankeramperewindungen erforderlich sind, zunächst entsprechend der oben erläuterten Anordnung eine Wicklung mit zwei Leitern bzw. Leitergruppen von je χ Amperewindungen vorgesehen wird. Diese Wicklung liefert dann für die Kompensation der Ankeramperewindungen χ Amperewindungen je Nut. Für den fehlenden Restbetrag der Kompensationsamperewindungien y-x wird erfindungsgemäß eine weitere Wicklung vorgesehen, die über alle Nuten verteilt und in geeigneter Weise geschaltet ist. Diese Wicklung kann wie eine gewöhnliche Kompensationswicklung ausgebildet sein. Nötigenfalls kann auch die Windungszahl je Nut etwas verschieden gemacht werden, wenn dies aus wicklungstechnischen Gründen erforderlich ist.

Da diese Wicklung in den Wickelköpfen keinerlei Kröpfungen besitzt, wird sie zweckmäßigerweise mit ungleichem Wickelschritt hergestellt, z.B. derart, daß Stab9 mit Stab 10, Stab 8 mit 11, Stab 7 mit 12 usw. verbunden werden. Die Stirnverbindungen liegen dann konzentrisch ineinander, und jede der Wicklungen umfaßt den zwischen den Nuten 9, 10 bzw. 18, ι liegenden Wendezahn.

In Fig. 11 ist das vollständige Schema einer derartigen Wicklung wiedergegeben. Es bedeuten g das Ständereisen, ζ die Zähne des Eisenpaketes, zwischen denen die aus den Wicklungsteilen X, Y, Z bestehende Wicklung liegt. Außerdem sind am Nutengrunde noch besondere Kompensationsstäbe s¹ bis s¹⁸ vorgesehen, die miteinander verbunden sind, und zwar derart, daß beispielsweise die Stäbe s¹ und s^1B, s² und s¹⁷ usw. in den Nuten 1 bis 18, 2 bis 17 usw. durch Stirnverbindungen verbunden sind.

Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung können dann, wie auf der rechten Seite der Abb. 11 angedeutet ist, zu der zusätzlichen Kompensationswicklung Parallelwiderstände angeordnet werden, die in an sich bekannter Weise dazu dienen, ein phasenverschobenes Wendefeld geeigneter Größe zu schaffen. In der Abb. 11 ist der Parallelwiderstand mit w bezeichnet und zu der aus den Leitern s⁹, s¹⁰ gebildeten Spule parallel geschaltet. Falls es nicht ausreichen sollte,

daß der Widerstand zu einer der den .Wendezahn umschlingenden Spule parallel geschaltet ist, so können weitere Spulen, welche beispielsweise die Nutenleiter s^e, s¹¹ bzw. s⁷, s^i& umfassen, herangezogen werden. Wird die wirksame Zahl der Amperewindungen für die Kompensation hierdurch zu sehr geschwächt, so können die bietreffenden Spulen gegebenenfalls mit höherer Windungszahl ausgeführt

ίο werden.

Auch in solchen Fällen, wo von vornherein die Amperewindungszahl für die Erregung und die Kompensation der Ankeramperewindungen je Nut gleich groß ist, also eine besondere Teilwicklung für die restliche Kompensation nicht erforderlich ist, kann eine zusätzliche Spulenwicklung, welche in den Nuten beiderseits der Wendezähne liegt, vorgesehen werden, um das Anschalten des zur Erzielung des richtigen Wendefeldes vorgesehenen Parallelwidersandes zu ermöglichen. Gleichzeitig kann diese Wicklung auch dazu benutzt werden, die wirksamen Amperewindungen für den Wendezahn im positiven oder negativen Sinn zu korrigieren, falls sich beim Probelauf des Motors herausstellen sollte, daß der Wendepolluftspalt nicht richtig getroffen ist.

Schließlich kann auch eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäß ausgebildeten Wicklung dadurch erzielt werden, daß ein Wendezahn von genügender Breite geschaffen wird. Zu diesem Zweck wird die Nutteilung anders bemessen als sonst. Innerhalb jedes Poles werden die Nuten mit gleichem Abstand voneinander angeordnet, aber die Nutteilungen werden etwas verkleinert, um den Raum für die Verbreiterung der Wendezähne zu gewinnen. Angenommen, eine Maschine besitzt neun Nuten je Pol und beispielsweise zehnPole, so wird die Nutteilung nicht Y₉₀ gewählt, sondern kleiner, z. B. V₉₃. Die neun Nuten je Pol umfassen dann acht Zähne mit der Kopf teilung ⁸/₉₃. Da die Polteilung ⁹·³/_β3 des Maschinenumfanges umfaßt, bleibt für den

Wendezahn eine Kopf breite von

9,3 — 8 __ i,3

93 93

Der Wendezahn hat also die gewünschte Breite, während sich sonst an den Nutenabmessungen so gut wie nichts geändert hat. In Abb. 11 ist die erfindungsgemäß vorgesehene Verstärkung der Wendezähne sw deutlich hervorgehoben.
Die Wicklungen können übrigens beliebig geschaltet sein, also beispielsweise alle Pole in Reihe oder alle Pole parallel. Es kann aber auch eine Reihenparallelschaltung o. dgl. vorgesehen sein.

Claims (7)

1. Patentansprüche:
   ι. Ständerwicklung für Wechselstrom-Reihenschluß-Kollektormotoren mit feststehenden Bürsten, die gleichzeitig eine Kompensationswicklung und eine mit dieser in denselben Nuten untergebrachte, um einen von 90⁰ abweichenden Winkel zur Wicklungsachse des Ankers verschobene, verteilte Erregerwicklung von gleicher Amperewindungszahl ersetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der für jede Drehrichtung theoretisch wirksame Teil der Erregerwicklung nicht den ganzen Umfang umfaßt.
2. 2. Ständerwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Wicklungsabschnitte vorhanden sind, die teils Nuten mit je zwei Leitern oder Leitergruppen, teils Nuten mit nur je einem Leiter oder einer Leitergruppe umfassen, und daß in den Nuten, in denen je ein Leiter oder eine Leitergruppe verschiedener Wicklungsabschnitte übereinanderliegen, diese derart vertauscht sind, daß sämtliche Wicklungsabschnitte aus symmetrischen Spulen bestehen, die als Schablonenspulen ausgeführt werden können.
3. 3. Ständerwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine zusätzliche Wicklung vorhanden ist, die über alle oder einen Teil der Nuten verteilt sein kann und solche Ströme führt bzw. so geschaltet ist, daß eine (mindestens angenähert) richtige Kompensation der Anker-AW sich ergibt.
4. 4. Ständerwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um jeden Wendezahn eine oder mehrere Spulen gelegt sind, die zum Anschluß des Parallelwiderstandes zur Erzielung des richtigen Wendefeldes dienen.
5. 5. S tänder wicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch diese Wendepolspulen auch der Motorstrom (ganz oder ein Bruchteil davon) geführt wird.
6. 6. Ständerwicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand zur Erzielung des richtigen Wendefeldes an die inneren Spulen der Zusatzwicklung angeschlossen ist.
7. 7. Ständerwicklung nach Anspruch 1, no dadurch gekennzeichnet, daß die Nutteilung innerhalb jedes Poles etwas kleiner ist, als der gleichförmigen Teilung entsprechen würde, und daß dadurch je Pol ein Wendezahn von größerer Breite entsteht als die übrigen Zähne.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen