DE707092C - Gleichstromerzeuger ohne Kommutator und Schleifringe - Google Patents

Description

Elektrische Maschinen, welche ohne Kommutator Gleichstrom zu erzeugen vermögen, sind die bekannten Unipolarmaschinen in scheiben- oder trommeiförmiger Ausführung. Solche Maschinen sind ausgeführt und im Betrieb, z. B. beim Murphywerk in Detroit. Sie benötigen jedoch Schleifkontakte, denn der Strom muß über Schleifringe abgenommen werden. Vorschläge von Noeggerathi und Ugritnoff sollen die Maschine verbessern, indem der Strom über Quecksilberkontakte abgenommen wird. Diese Art Maschinen vermögen selbst bei hohen Umdrehungszahlen nur geringe Spannungen zu erzeugen und sind daher nur für solche und große Stromstärken geeignet. Es ist seit langem bekannt, daß die Verwendung von Gleichstrom hoher Spannung wesentliche Vorteile gegenüber dem Wechselstrom oder Drehstrom bietet, wenn es

ao sich um Kraftübertragung handelt und sich der Gleichstrom so einfach behandeln ließe wie der Drehstrom. Anlagen, bei denen mehrere Kollektormaschinen zur Erzeugung hoher Spannung in Reihe geschaltet sind, sind bekannt. In der Hochfrequenztechnik, im Rundfunk, werden Hochspannungsgleichstrommaschinen mit Kommutator seit langem angewandt. Von diesen gehen aber hochfrequente Störungen aus, die durch besondere Einrichtungen beseitigt werden müssen. Die Bestrebungen, kommutator- und schleifringlose Gleichstrommaschinen zur Erzeugung beliebiger Spannungen und Leistungen zu bauen, sind seit langem vorhanden. Eine solche Maschine hat den Vorteil, für hohe Spannungen eingerichtet werden zu können, deren Begrenzung nur durch die Konstruktion und Isolationsfestigkeit der Materialien gegeben ist. Hochfrequente Störungen sind nicht oder nur in geringem Maße vorhanden. Die Haltbarkeit und Betriebssicherheit ist wegen des Fortfalls der Bürstenreibung stark vergrößert, die Wartung verringert. Neben einer großen Anzahl anderer Vorschläge ist auch eine kommutatorlose Gleichstrommaschine bekanntg'eworden, die trotz der besonderen Erregungsart durch phasenverschobene Wechselströme auf dem elektromagnetischen Prinzip des Ein- und Austretens von magnetischen Kraftlinien in Wicklungen bekannter Art beruht, womit nur Wechselstrom bekannter Art erzeugt werden kann.

Die Maschine nach der Erfindung basiert auf dem neuen Grundprinzip der Erzeugung mehrerer phasenverschobener Wellen- oder unsymmetrischer Wechselspannungen, die, durch Reihenschaltung summiert, konstante Gleichspannung ergeben. Die Induzierung jeder der Wellenspannungen geschieht mittels des bekannten elektromagnetischen Prinzips in neuartig angeordneten Wicklungen, deren Einzelspannungen während der Drehung zu bestimmten Zeiten gegeneinander und zu anderen Zeitpunkten miteinander wirken, wobei

das Gegeneinander wirken zu Zeiten kleiner Feldstärke und das Miteinanderwirken zu Zeiten großer Feldstärke der Erregung stattfindet, wodurch die Entstehung einer Wellenspannung oder einer unsymmetrischen Wechselspannung möglich wird.

Die Erzeugung einer einzelnen Wellenspannung ist in Abb. ι im Prinzip dargestellt, und zwar zum leichteren Verständnis unter Verwendung von Schleifringen. Abb. 2 zeigt im Prinzip die erfindungsgemäße Ausführungsform der Maschine ohne Schleifringe. Der Erfindungsgegenstand kann sinngemäß auch bei Ringwicklungen und bei Ausführung mit •5 ausgeprägten Polen angewandt werden. Er soll des leichteren Verständnisses wegen zunächst an der Abb. 1 erläutert werden.

In Abb. ι ist α der Läufer des Wellenstromgenerators. Dieser aus lamellitrtem Eisenblech bestehende Läufer ist mit den Wicklungen b und c versehen, welche beide hintereinandergeschaltet sind. Der Läufer α ist zwischen den Polen (I₁ und d₂ drehbar angeordnet. Die Enden der beiden hintereinandergeschalteten Wicklungen sind an zwei Schleifringe e und / geführt, von wo der induzierte Strom durch Schleifbürsten abgenommen werden kann. Starr mit dem Läufer α gekuppelt ist irgendeine Antriebsmaschine g, ferner eine nur für die Erregerleistung bemessene Erregermaschine h. Die Pole i derselben sind durch Gleichstrom erregt, der bei mehrphasiger Ausführung der fertigen Maschine gemäß Abb. 3 von deren Klemmen entnommen werden kann. Im Läufer k der Erregermaschine wird in üblicher Weise Wechselstrom induziert, der zur Erregung der Feldpole J₁ und d₂ des Generators dient. Die Kurvenform dieses Erregerwechselstroms muß zur Verwendung in der neuen Maschine durch die Ausführung der Wicklung im Läufer k und die Polform von 2' geeignet eingerichtet werden. Die Erregermaschine ist zugleich ein Frequenzwandler, in dem die Frequenz des Erregerwechselstroms sich mit der Umdrehungszahl verändert. Zwischen der Frequenz des Erregerwechselstroms und der induzierten Wellenspannung des Generators besteht somit ein konstantes Verhältnis. Auch die Phasenlage zwischen dem Erregerwechselstrom und der in den Läuferwicklungen b und c induzierten Wellenspannungen ist damit gegeben.

Die Erfindung basiert auf diesem Umstand.

Bezeichnet man die in Abb. 1 gezeichnete

JJ5 Stellung der Läufer α und k mit o°. so wird

in den Wicklungen b und c keine Spannung induziert. Bei Drehung nach 90⁰ zu wird im Fall von zunehmendem Erregerwechselstrom in b und c eine Spannung induziert. Die gegenseitige Schaltung von b und c ist jedoch so, daß sich die beiden Spannungen aufheben, solange die beiden Wicklungen sich unter demselben Pol befinden. Durch die erwähnte Formgebung der Erregerwechselstromkurve, derart, daß die Zunahme des Feldes gering bleibt bis zur Annäherung der Wicklung c an die ablaufende Polkante (I₁ wird ein Spannungsverlust umgangen. Erst wenn die Wicklung c in den Raum zwischen die Pole tritt, nimmt das Feld zu bis zum Maximum bei 90⁰. Zu gleicher Zeit fällt die Spannung in Wicklung c, und die in Wicklung b steigt. Beim Eintritt der Wicklung in die auflaufende Polkante d₂ und schon vorher kehrt sich die Spannungsrichtung in c um, während sich in Wicklung b die Richtung infolge ihres Verbleibens unter Pol d₁ nicht ändert. Nach 90⁰ Drehung ist also das Maximum der Spannungen in b und c erreicht, wobei sie sich addieren wegen der Lagen der Wicklungen b und c unter verschiedenen Polen. In gleicher Weise tritt ein Abfall der Spannung bei Drehung bis auf i8o° ein, denn der Erregerwechselstrom fällt wieder auf Null. Bei weiterer Drehung wechselt die Polarität von Ci₁ und d₂, weil deren Erregung durch den Wechselstrom der Erregermaschine erfolgt. Die relative Lage der Wicklungen b und c zur Feldrichtung ist bei i8o° dieselbe wie in Stellung o°. Bei Weiterdrehung nach 270⁰ und nach o° wiederholt sich der Vorgang. Die in b und c induzierten Spannungen behalten dieselbe Richtung. Die Kommutierung erfolgt somit bei der neuen Maschine durch Umkehren der Feldrichtung, und dieses wird ermöglicht durch den Umstand, daß zu diesem Zeitpunkt sich die Spannungen aufheben. Die Stellung des Läufers k der Erregermaschine und des Läufers α des Generators zueinander ist bestimmt durch' die Phasenverschiebung zwischen Erregerspannung und Er reger wechsel strom. Bei Abweichung von dieser Stellung wird Wechselstrom erzeugt, und zwar bei 90⁰ Verstellung am vollkommensten. Die neue Maschine arbeitet am vollkommensten bei Erzeugung sin²-förmiger Wellenspannungen. Aber auch die Summierung unsymmetrischer, phasenverschobener Wechsel spannungen ergibt mehr oder weniger guten Gleichstrom, nur ist die Ausnutzung der Maschine dann weniger gut.

In Abb. 2 ist die prinzipielle Ausführung der neuen Maschine ohne Schleifkontakte dargestellt. Beim Generator sind Ständer und Läufer vertauscht, so daß der Läufer nun- »15 mehr das Feld ist, das seine Wechselstromerregung unter Fortfall der Schleifringe e und / erhält. In der Abb. 2 sind der Generator und die Erregermaschine der besseren Übersicht wegen als zwei starr gekuppelte «ao Maschinen dargestellt. Der Fortfall der Schleifringe gestattet jedoch die konstruktive

Vereinigung beider Maschinen in eine, etwa in der Weise, wie der Kommutator mit der Maschine bei den bekannten Kollektormaschinen vereinigt ist.

Die Abb. 3 zeigt die prinzipielle Ausführung der neuen Maschine mit zwei um 90⁰ phasenverschobenen Wellen- oder unsymmetrischen Wechselspannungen, die in Reihe geschaltet sind und folglich nahezu konstanten

to Gleichstrom ergeben. Nach demselben Prinzip kann die neue Maschine auch beliebig mehrphasig ausgeführt Averden.

Die Abb. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der in den Wicklungen b und c (Abb. 1) induzierten EMKe und den zeitlichen Verlauf der zugehörigen Feld- bzw. Induktionsänderung. Die Kraftlinienveränderung ist dabei, um ein einfaches, leicht verständliches Bild zu erhalten, unter Berücksichtigung der früher erwähnten zweckmäßigen Form aus geraden Linien zusammengesetzt. In der Praxis wird eine Kurvenform gewählt, die einen möglichst günstigen Verlauf der EMK b + c ergibt. Die Polflächen von d_x und d₂ umfassen in dem theoretischen Beispiel der Abb. 1 den Läufer« je um 120⁰, und die Wicklungen δ und, c isind räumlich um 6o° auf dem Läufer versetzt. Dementsprechend ergeben sich während der Drehung die in Abb. 4 gezeigten Drehwinkel für die charakteristischen Punkte. Die in der neuen Maschine induzierte EMK kann man sich aus zwei EMKe zusammengesetzt denken, denn sie wird gebildet teils wie bei Maschinen bekannter Art, teils wie bei einem Transformator, jedoch mit synchron zum Kraftfluß veränderlicher Spulenlage. Die erstere wird gebildet durch die Drehung bei voller Ausnutzung aller Kraftlinien, die zweite durch ■variable Erregung unter Ausnutzung nur eines Teiles aller Kraftlinien, nämlich derjenigen, welche zwischen den hier um 6o° zueinander versetzten Wicklungen b und c hindurchgehen. Die erstere Spannungsfläche ist dementsprechend weitaus größer als die zweite. Beide EMKe sind entgegengierichtet und um 90⁰ gegeneinander phasenverschoben. Die Abb. 4 zeigt der Einfachheit halber nur die erstere EMK. Geeignete konstruktive Maßnahmen vermögen durch Hinarbeiten auf dieses Ziel den Unterschied der beiden Spannungsflächen zu vergrößern.

In den Abb. 1 bis 3 ist in dem induzierten Teil des Generators stets die gleiche Wicklungsart dargestellt. Der besseren übersieht halber sind in Abb. 3 die Stirnverbindüngen nicht eingezeichnet. Die Kreuze und Punkte bei den Wicklungen bedeuten die Stromrichtung. Die Erregerwicklungen der Erregermaschine h können als Nebenschluß-, Hauptstrom- oder Kompoundwicklung ausgeführt werden und dadurch der neuen Maschine entsprechende Charakteristiken geben. Der Regler / gestattet die Regelung der erzeugten Spannung, und auch in den Haupt strom kann ein Widerstand gelegt werden. Die Reversierung der Spannung ist sowohl im Haupstrom als auch im Erregerstrom der Erregermaschine möglich. Da die Maschine auch als Motor laufen kann, sind die beschriebenen Funktionen sinngemäß auch hierbei 7» anwendbar.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gleichstromerzeuger ohne Kommutator und Schleifringe, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Gleichstrom erregte Erregermaschine in ihrem Läufer Wechselströme induziert, die dem synchron mitlaufenden Anker einer zweiten Maschine zur Erregung zugeführt werden, deren Ständer eine der Polzahl des Ankers entsprechende Zahl von gegeneinander versetzten und derart angeordneten Wicklungen trägt, daß sich deren EMKe während der Drehung und des Richtungswechseis des Flusses teils aufheben, teils zu Gleichspannungsimpulsen addieren.

2. Gleichstromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise unter Verwendung einer Erregermaschine mehrere phasenverschobene Gleichspannungsimpulse erzeugt werden, die, durch Reihenschaltung summiert, annähernd konstante Gleichspannung ergeben.

3. Gleichstrommaschine nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorspannung die Erregermaschine selbst erregt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen