DE665553C - Kurzschlusssicherer Gleichstromerzeuger mit reiner Reihenschlusserregung - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
28. SEPTEMBER 1938

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 di GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 21. Januar 1934 ab

Die bisher bekannten kurzschlußsicheren Gleichstromerzeuger für Lichtbogenschweißung und ähnliche Verwendungszwecke haben in der Regel mindestens zwei Erregerstromkreise, und zwar einen vom Schweißstrom oder einem Teil desselben durchflossen«! Stromkreis und einen weiteren Erregerstromkreis, der zusammen mit dem von ihm elektrisch gesonderten, vom Arbeitsstrom durchflossenen Feldspulenkreis das Maschinenfeld und die Schweißspannung beherrscht. Bei diesen Stromerzeugern können die beiden erwähnten Stromkreise aufeinander transformatorisch rückwirken. Es wurde erkannt, daß eine solche Rückwirkung zwischen gekoppelten Stromkreisen das Verhalten der Maschine bei raschen Stromänderungen, die sogenannte dynamische Charakteristik, sehr ungünstig beeinflußt. Der Erregerstromkreis ist beispielsweise bei fremderregten Stromerzeugern über eine Erregerstromquelle oder bei Querfeldmaschinen über die Verbindung der Querfeldbürsten kurzgeschlossen und bildet dadurch einen Dämpfungsstromkreis, der rasche Änderungen des mit ihm verketteten Feldes oder Feldteils verhindert. Für gutes Schweißen ist es aber notwendig, daß die Maschinenspannung sich allen plötzlichen Belastungänderungen sofort anpaßt, die etwa durch Tropfenbildung des Schweißdrahtes oder durch Berührung von Schweißelektrode und Werkstück entstehen. Es ist auch ein Schweißstromerzeuger mit reiner Reihenschlußerregung vorgeschlagen worden, dessen Hauptfeld durch die Ankerrückwirkung bei höheren Stromstärken in einen Feldpfad von größerem magnetischem Widerstand verdrängt und dadurch geschwächt wird. Dies führt aber zu einer ungünstigen Bauweise und zu schlechterer Ausnutzung des Maschinenmodells.

Die Erfindung beseitigt diese Nachteile in folgender Weise. Der Stromerzeuger ist rein reihenschlußerregt; sein induzierter Teil erhält eine gesehnte Wicklung, sein induzierender Teil mehr als zwei Reihenschlußpole je Polpaar. Unter Polpaar ist dabei wie bei gewöhnlichen Gleichstrommaschinen eine solche Einteilung zu verstehen, innerhalb deren sich einander und gleichzeitig einem Nutzbürstenpaar zugeordnete Pole hinsichtlich ihrer Polarität usw. nicht wiederholen. Das Zusammenwirken der erwähnten Reihenschlußpole bringt bei höheren Stromstärken die für das kurzschlußsichere Verhalten der Maschine notwendige Spannungserniedrigung in der Weise hervor, daß ein induzierender Kraftfluß in mit der Stromstärke steigendem Maß durch eine oder mehrere Sehnungslücken der induzierten Wicklung, also der Ankerwick-

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

Dr.-Ing. Alfred Grabner in Wien.

lung, hindurch abgelenkt und der Verkettung mit dieser entzogen wird.

Es gibt bei dem Stromerzeuger nach der Erfindung keinen zweiten Erregerstromkreis, dj«'._ auf den ersten dämpfend zurückwirken könniej;, und es wird die Erregung und die selbsttätig Spannungsregelung mittelbar vom induzierender? Teil aus hervorgebracht, ohne daß wie bei der Querfeldmaschine die Wirkung des Ankerquerfeldes herangezogen werden muß. Die die Spannungsregelung bewirkende wechselnde Feldverzweigung erfolgt im induzierten Teil, wodurch der Aufbau der Maschine einfacher und wirtschaftlicher wird, als wenn der die Erregerwicklungen tragende Teil zugleich die ganze Feldverzweigung aufnehmen müßte.

Die im bevorzugten Betriebsbereich teils spannungserhöhend, teils spannungserniediigend wirkenden Teile der Reihenschlußerregerwicklung des induzierenden Maschinenteils sind vorzugsweise mit Feldpolen von verschiedenem magnetischen Verhalten, insbesondere verschieden hoher Betriebssättigung verkettet. Durch das abwechselnde Überwiegen der einen und der anderen Reihenschlußerregung kommt eine zuerst ansteigende und dann abfallende Stromspannungscharakteristik der Maschine zustande. Die Ankersehnung ist immer so groß zu wählen, daß jener Anteil des Maschinenfeldes, welcher durch sein Abschwenken spannungserniedrigend wirkt, jene Ankerschicht durchsetzt, in welcher Ober- Und Unterstäbe gegenmagnetisierend wirken.

Unbewickelt ist immer jener Pol, unter dessen Polbedeckung beim Durchlaufen der statischen Charakteristik eine Umkehr des Feldes eintritt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung des Stromerzeugers. Die Fig. 2 und 3 zeigen die Feldverteilung in diesem bei verschiedener Belastung. In Fig. 4 und 5 sind die Stromspannungscharakteristiken für zwei verschiedene Regelungsarten wiedergegeben.

Fig. ι stellt eine im wesentlichen zweipolige Maschine dar. Der Pol α der Maschine ist ungeteilt, der andere ist in zwei Teilpole h und c gespalten. Der Anker d trägt eine gesehnte Wicklung, deren mit Bürsten besetzte Wendezonen e und f zu beiden Seiten des ungespaltenen Pols a liegen. Während dieser zweckmäßig unbewickelt ist, tragen die Pole b und c Reihenschlußwicklungen g und h, die die Pole in entgegengesetztem Sinn magnetisieren. Die Wicklung^ wirkt auf die Arbeitswicklung spannungserhöhend ein, die Wicklung h in dem beim Schweißen benutzten Betriebsbereich spannungserniedrigend. Die Pole b und c sind im Betriebe verschieden magnetisch gesättigt. Der Pol b hat einen durch eine Ausnehmung i im Querschnitt geschwächten Schenkel und ist daher im Betriebe stark gesättigt. Der Pol c hat dagegen ungeschwächten, möglichst großen Schenkelquerschnitt und ist daher dauernd schwach gesättigt. Der magnetische Widerstand der Pole, vorzugsweise der .■ -magnetische Widerstand des schwach gesättigten pls c, ist regelbar. Hierzu ist in bekannter ijWeise zwischen dessen Polschenkel und dem Joch / ein veränderbarer Luftspalt / eingeschaltet. Durch Verstellung des Magnetkörpers k kann die Länge des in Luft verlaufenden Kraftlinienweges vergrößert oder verkleinert werden. Bei kleineren Belastungsstromstärken / stellt sich in der Maschine eine Kraftfiußverteilung nach Fig. 2 ein. Der Pol b hat hier einen geringoren magnetischen Widerstand als der Pol c und führt einen größeren Kraftfluß, als letzterer bei kleinen Erregungen aufnehmen kann. Der Dirferenzkraftzufluß verläuft daher durch den unbewickelten Pol α. Die gesehnte Wicklung wird daher vom größeren Teil des Maschinenfeldes in solchem Sinn induziert, daß bei steigendem Strom auch die elektromotorische Kraft der Maschine wächst. Bei großem Belastungsstrom / ist der Pol b stark gesättigt; sein ma- gnetischer Widerstand ist daher wesentlich größer als der des Pols c, und er führt einen wesentlich kleineren Kraftfluß als dieser. Der Unterschied der Kraftfllüsse verläuft nach Fig. 3 über den Pol α, und zwar diesmal in entgegengesetztem Sinn wie bei der Kraftflußverteilung nach Fig. 2. Die Leiter der Ankerwicklung werden unter dem Pol a jn entgegengesetztem Sinn induziert wie unter dem Pol b. Bei steigendem Ankerstrom kann der Kraftfluß im Pol b nicht mehr wesentlich zunehmen, während der entgegengesetzt induzierende Kraftfluß im Pol α ansteigt. Die elektromotorische Kraft der Maschine wird also bei großer Belastung mit steigendem Strom geschwächt. Bei einem bestimmten Belastungsstrom wird der Kraftfluß im Pol« ebenso groß wie jener im Pol δ; die Spannung sinkt auf Null herab, und die Maschine erreicht den Kurzschlußpunkt.

Dieses Verhalten geht noch deutlicher aus den Kurven der Fig. 4 hervor. Der durch die Pole b, α und das Joch / verlaufende Kraftfluß hat die mit A bezeichnete stark gekrümmte magnetische Charakteristik; der durch die Pole a, c und das Joch j verlaufende Kraftfluß hat die nahezu geradlinige Charakteristik B wie ein in Luft verlaufendes Feld. Der wirksame Kraftfluß im Pol α ist die Differenz zwischen den durch die Kurven A und B dargestellten Kraftflüssen. Da die Kraftflüsse der Pole α und b auf die gesehnte Ankerwicklung gemeinsam einwirken, kann man ihre Charakteristiken zu einer resultierenden Charakteristik zusammensetzen, indem man die Ordinaten der Kurve A und die Ordinatendifferenz der Kurven A und B addiert. Die Summenkurve S₁ stellt in geeignetem Maßstab schon die statische Stromspannungscharakteristik der Ma-

schine dar. Bei kleiner Belastung steigt die Spannung mit wachsendem Strom, während sie bei großer Belastung mit wachsendem Strom abfällt. Die statische Charakteristik ist also ähnlich wie bei einer reihenschlußerregten Querfeldmaschine; dagegen ist das dynamische Verhalten des Stromerzeugers nach dem früher Gesagten wesentlich günstiger.

Wird der Luftspalt I im Pol c verändert, so

ίο verschiebt sich die Charakteristik B in die Lagen B', B" oder B₀, während die Charakteristik Λ unverändert bleibt. Durch die gleiche Zusammensetzung wie aus den Charakteristiken A und B erhält man nunmehr aus den Charakteristiken A und B' usw. verschiedene statische Charakteristiken S₂, S₃ und S₀. Die Schweißstromstärke ist. daher in weitem Bereich regelbar.
Es ist ein wesentlicher Vorteil, daß der magnetische Widerstand des Pols c bei gleichbleibendem Eisenquerschnitt durch Änderung der Luftweglänge geregelt wird. Wird dagegen die Regelung etwa im Pol b durch Änderung des Eisenquerschnitts bei unverändertem magnetischem Widerstand des Pols c vorgenommen, so ergeben sich die Regelkurven nach Fig. 5. Die Charakteristik B bleibt unverändert, während die Charakteristik A z.B.in die Charakteristiken A' oder A" übergeht. Die statischen Strom-Spannungscharakteristiken S₂, S₃ unterscheiden sich dann von jenen nach Fig. 4 in zweifacher Hinsicht. Einerseits fallen sie nach Fig. 5 alle fast unter der gleichen Neigung gegen den Kurzschlußpunkt ab wie die Charakteristik S₁, während nach Fig. 4 die Charakteristiken S₂ und S₃ im abfallenden Ast mit kleiner werdender Kurzschlußstromstärke immer steiler werden. Außerdem sind bei den Kurven S₂ und S₃ nach Fig. 5 die Scheitelwerte kleiner als bei den entsprechenden Kurven nach Fig. 4. Beides hat zur Folge, daß besonders bei kleineren Strömen das Schweißen mit der Regelung nach Fig. 5 schwieriger ist. Es wird deshalb nach der Erfindung die Regelung nach Fig. 4 durch Änderung der Luftweglänge bei unverändertem Eisenquerschnitt vorgezogen. Diese Regelung kann auch in der Weise erfolgen, daß der zu regelnde Pol als Ganzes radial verschoben wird, so daß sich die Länge des Kraftflußweges im Luftspalt zwischen Polschuh und Ankeroberfläche ändert.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Kurzschluß sicherer Gleichstromerzeuger

   mit reiner Reihenschlußerregung, insbesondere für Lichtbogenschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß sein induzierter Teil ((/) eine gesehnte Wicklung und sein induzierender Teil mehr als zwei Reihenschlußpole (a, b, c) je Polpaar trägt, deren Zusammenwirken bei höheren Stromstärken die Spannungserniedrigung an den Klemmen der Maschine dadurch hervorbringt, daß ein induzierender Kraftfluß in mit der Stromstärke steigendem Maß durch eine oder mehrere Sehnungslücken der induzierten Wicklung hindurch abgelenkt und der Verkettung mit dieser entzogen wird.
2. 2. Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gesonderte, teils spannungserhöhend, teils spannungserniedrigend wirkende Teile der Reihenschlußerregerwicklung mit Feldpolen von verschiedenem magnetischem Verhalten, insbesondere verschieden starker Betriebssättigung, verkettet sind.
3. 3. Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Pole («) unbewickelt sind.
4. 4. Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Widerstand eines oder beider bzw. aller Pole, vorzugsweise der magnetische Widerstand des oder der schwach gesättigten Pole, regelbar ist.
5. 5. Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Luft verlaufende Länge des Kraftflußweges an einem oder mehreren Polen veränderbar ist.
6. 6. Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere Pole veränderbare Luftspalte zwischen Polschuh und Anker enthalten oder radial verschiebbar sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen