DE74462C - Elektromotor für Wechselströme - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21: Elektrische Apparate.

Elektromotor für Wechselströme.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 2. April 1892 ab.

Man hat bisher vergeblich versucht, elektrische Maschinen, welche nach denselben Grundsätzen hergestellt sind, wie die Elektromotoren für Gleichströme, in brauchbarer Weise als Elektromotoren auch für Wechselströme zu verwenden. Die Versuche nach dieser Richtung blieben auch dann erfolglos, als man die Feldmagnete zur Verhütung von Wirbelströmen aus Eisenblech zusammensetzte.

Der Grund dieser Erfolglosigkeit liegt darin, dafs der gewöhnliche Anker für Wechselströme nicht geeignet ist; ferner dafs die Verwendung der mittelst Wechselstromes erregten Feldmagnete im Nebenschlufs unzweckmäfsig ist, wenn nicht ganz bestimmte Verhältnisse zwischen Ankerwickelung und Magnetwickelung obwalten.

Die Uebelstände, welche bei Betrieb der gewöhnlichen elektrischen Maschine mit Wechselströmen auftreten, sollen durch folgende Anordnungen beseitigt und somit wirksame Elektromotoren für Wechselströme hergestellt werden, die in hohem Mafse sich selbst regeln und lenkbar sind.

Der Anker wird nach dem Schema Fig. 1 oder 2 hergestellt. Die Wickelungen sind nicht ' sämmtlich zusammenhängend, wie gewöhnlich, sondern es werden die beiden Enden einer Spirale oder einer Gruppe von parallel oder hinter einander geschalteten Spiralen, die in Bezug auf die Magnetfelder symmetrisch liegen, mit zwei entsprechenden (in der Darstellung diametral gelegenen) Stegen des Stromwenders verbunden, isolirt von den übrigen Spiralen und Stegen. Zwei oder auch mehr solcher Spiralen oder Spiralgruppen werden durch die Bürsten parallel geschaltet. Es ist zweckmäfsig, dafs die Bürsten gleichzeitig in mehrere Spiralen Strom senden.

Bei dieser Anordnung schalten die Bürsten nur solche Stromkreise mit einander parallel, in welchen ungefähr gleiche elektromotorische Kräfte herrschen.

Es ist zweckmäfsig, dafs die einzelnen nach diesem Gesetz gebildeten Spiralgruppen möglichst über den ganzen Umfang des Ankers vertheilt seien. Dies kann durch die Anordnung nach Fig. 3 erreicht werden.

Auf den Anker wird nämlich jede einzelne Drahtlage continuirlich in der Art der Gramme-Armatur aufgewickelt.' Bestimmte Punkte einer jeden solchen Wickelung werden in symmetrischer Anordnung in Bezug auf die Magnetpole mit Stromwenderstegen verbunden (in Fig. 3 je zwei Punkte S₁ und S₂ bei jeder Bewickelung).

Diese Verbindungsstellen der einzelnen Drahtlagen oder Wickelungen sind um einen bestimmten Winkel gegen einander verdreht, so dafs diese Stellen aller Wickelungen möglichst um den ganzen Umfang des Ankers vertheilt erscheinen. Wenn z. B. durch Stromwender und Bürsten bei den Verbindungsstellen Strom in eine Spirale geleitet wird, so entstehen bei den Verbindungsstellen Folgepole.

Eine andere Art der Ankerbewickelung ist in Fig. 4 dargestellt. Das leitende Gesetz ist dasselbe wie bei der früheren Anordnung, wo

die einzelnen Spiralgruppen den ganzen Umfang des Ankers oder einen grofsen Theil des Umfanges bedecken. Jede Spiralengruppe hat in gleichen Abständen (in diesem Falle doppelt so viel als Magnetpole) Umkehrstellen. An diesen Stellen setzt man die Bewickelung auf dem Anker in umgekehrter Richtung fort, so dafs, wenn bei einer solchen Umkehrstelle ein Strom — etwa durch Bürsten und Stromwender — ein- oder austritt, der Strom vor und hinter der Umkehrstelle den Anker in demselben Sinne umfliefst; wo jedoch der Strom durch eine Umkehrstelle hindurchgeht, mufs er die Richtung in Bezug auf die Ankeroberfläche ändern, es mufs also hier ein magnetischer Pol am Anker entstehen, eine Art von Folgepol. Solche Spiralgruppen werden mehrfach in mehreren Lagen hergestellt, wobei die Umkehrstellen einer jeden Gruppe um einen bestimmten Winkel gegen die Umkehrstellen einer anderen Gruppe vorgeschoben werden. Bei den betreifenden Umkehrstellen werden die Spiraldrähte mit den von einander isolirten Stegen des Stromwenders verbunden, in einer solchen Reihenfolge, dafs während der Ankerdrehung ebenso wie bei der Anordnung Fig. i, 2 und 3 mehrere Ankerwickelungen· gleichzeitig mit den stromführenden Bürsten in Verbindung kommen und die Spiralgruppen nach einander Strom erhalten und wirksam sind.

Weil bei den beschriebenen Constructionen des Ankers dessen inducirte Spiralen durch die Bürsten nur parallel und niemals hinter einander geschaltet werden, ist noch die in Fig. 2 dargestellte Vereinfachung möglich. Man kann nämlich von den zwei Verbindungsdrähten einer jeden Spiralengruppe je eine zu dem betreffenden Steg des Stromwenders und die andere zu einem gemeinschaftlichen Schleifring oder einer ähnlichen Stromschlufsvorrichtung führen. Selbstverständlich werden auch in diesem Fall die Verbindungen am Stromwender an dessen ganzem Umfang möglichst gleichmäfsig vertheilt. Der Stromwender hat dann auch nur so viel Stege, als Wickelungen oder Spiralgruppen am Anker vorhanden sind. Man braucht dann nur eine isolirte Bürste, währenddem die andere Stromzuführung durch eine ununterbrochene Verbindung erfolgen kann.

Bei allen diesen Constructionen durchfliefst der Arbeitsstrom immer solche Ankerspiralen, welche die Magnetpole im Anker um einen entsprechenden Winkel gegen die Pole der Feldmagnete verschoben hervorbringen, um ein starkes Drehmoment zu bewirken.

Der Umstand, dafs während der Ankerdrehung jede Ankerspirale nur vorübergehend von Strom durchflossen, dann aber bis zur folgenden Berührung mit der Bürste stromlos ist, bringt es mit sich, dafs die zeitweilige Stromdichte in den Ankerdrähten unvergleichlich gröfser sein kann als in den Drähten eines gewöhnlichen Ankers, wenn bei beiden die gleiche Erwärmung bezw. der gleiche Energieverlust zugelassen wird. Dadurch kann man bei unserer Anordnung, ob zwar hier immer nur ein Theil der Ankerwickelung thätig ist, dennoch eine hohe Wirksamkeit des Elektromotors erzielen.

Was die Stromführung und den Betrieb des Elektromotors anbelangt, so ist von der Beobachtung ausgegangen worden, dafs der Anker bei Wechselstrom zweierlei Inductionswirkungen ausgesetzt ist; erstens ist es die Induction, welche er seitens der Feldmagnete wegen der wechselnden magnetischen Intensität erfährt, und zwar ganz unabhängig von seinem Stillstand oder seiner Drehung; zweitens die Induction, welche er infolge seiner Drehung im magnetischen Felde erfährt und welche von der Geschwindigkeit der Drehung abhängig ist. In Fig. 5 sind die aus der einen oder anderen Induction folgenden elektromotorischen Kräfte, welche in den Spiralen eines solchen Ankers auftreten, graphisch dargestellt, indem die Abscissen (im Umfange eines Quadranten bezw. einer Bogenhälfte zwischen zwei Magnetpolen) die Bogenlänge des Drehkreises, die Ordinaten aber die elektromotorischen Kräfte e n°, en¹, e κ², e n³ u. s. w. in Fig. 5 bezeichnen.

Es ist ersichtlich, dafs die elektromotorische Kraft infolge der ersteren Art von Induction e m am gröfsten ist bei o, d. h. in der Mitte des Magnetfeldes M M und Null bei 90⁰, d. h. inmitten zwischen zwei Magnetfeldern.

Die elektromotorische Kraft infolge der Drehung hingegen ist am gröfsten bei 90⁰ und Null bei o. Die aus beiden resultirenden elektromotorischen Kräfte bilden eine Linie, deren Ordinate bei ο durch die Induction beim Stillstand des Ankers und deren Ordinate bei 90 ° durch die von der Drehungsgeschwindigkeit abhängige Induction bestimmt ist.

So erscheinen die Diagramme der elektromotorischen Kräfte eines solchen zwischen zwei Magnetfeldern liegenden Umfanges des Ankers verschieden, je nach der Geschwindigkeit oder Umdrehungszahl n°, n\ n², n^s u. s. w.

Als treibenden Strom wählt man einen solchen, dessen Spannung (JE in Fig. 5, wo der besseren Uebersicht wegen das eigentliche negative E im positiven Sinne dargestellt erscheint) so grofs oder ungefähr so grofs ist als die elektromotorische Kraft des Ankers bei o. Es wird dann eine solche Stelle am Stromwender geben, und zwar entsprechend der Mitte MM des Magnetfeldes, wo der treibende Strom, in den Anker eingeführt, einer elektromotorischen Kraft begegnet, welche seiner eigenen Spannung gleich und entgegengesetzt gerichtet ist, wo also die Stromstärke des Schliefsungskreises im

Anker Null ist. Solche Stellen werden bei verschiedenen Drehungsgeschwindigkeiten auch an anderen Punkten des Umfanges zu finden sein, d. h. es wird jeder Geschwindigkeit noch eine zweite Bürstenstellung entsprechen, bei welcher sich die Stromspannungen gegenseitig aufheben, so dafs der Anker bei geschlossenem Stromkreis stromlos ist. Verschiebt man die Bürsten nach einer Richtung, dann wird die Spannung des eingeleiteten Stromes die Spannung des Ankerstromes überwiegen, und es entsteht entsprechend dem Unterschied dieser Spannungen Ε-en ein Arbeitsstrom im Schliefsungskreis des Ankers, welcher den Anker in einem gegen die Magnetpole verschobenen Winkel magnetisirt und ein Drehmoment hervorruft.

Infolge dieser Betrachtungen und Versuche sind auch diejenigen Constructionsbedingungen gefunden'worden, welche die Anordnung der Feldmagnete im Nebenschlufs nicht nur möglich, sondern sogar sehr zweckmäfsig machen. Die Feldmagnete sind nämlich gewissermafsen der primäre Bestandtheil eines Umwandlers, den sie mit dem Anker zusammen bilden; sonach setzen wir die Wickelungen auf den Feldmagneten und auf den Anker in ein solches Verhältnifs, dafs die Stromspannung des Ankers bei M M infolge der Induction gleich oder ungefähr gleich ist der Spannung des Stromes, der die Feldmagnete erregt, d. h. gleich mit der Arbeitsspannung E-e m; dadurch wird der Elektromotor in hohem Mafse regel- und lenkbar.

Der Elektromotor kann aus dem Stillstand des Ankers in die gewünschte Bewegung versetzt werden, indem man die Bürsten aus der Nullstellung (bei M M, d. i. die stromlose Stellung in Fig. 5 bei Z) allmälig in jene Stellung »ι verschiebt, wo der Spannungsunterschied E-en hinreicht, um die erforderliche Drehkraft hervorzubringen. Bei zunehmender Drehgeschwindigkeit nimmt die elektromotorische Kraft des Ankers zu, man verschiebt demnach die Bürsten so, dafs abermals der erforderliche Spannungsunterschied und dementsprechend die erforderliche Drehkraft vorhanden ist.

Verschiebt man die Bürste von der Nulllage in der entgegengesetzten Richtung, so wird eine Drehung des Ankers in umgekehrtem Sinne hervorgerufen. Endlich kann auch die Umsteuerung des Elektromotors durch allmälige Ueberführung der Bürsten von der positiven auf die negative Seite bewerkstelligt werden, ohne dafs Stöfse in der Maschine oder Funken am Stromwender auftreten, indem man die Bürsten durch ihre Nuülage hindurch gehen läfst.

Durch das Stellen der Bürsten oder der

Bürste kann der Elektromotor geregelt werden von der stromlosen Stellung, wo er keine, bis * zu jener Stellung, wo er seine gröfste Kraft entwickelt. Es ist somit überflüssig, Widerstände in den Stromkreis des Ankers oder der Feldmagnete einzuschalten, daher auch die Regelung ebenso wie auch die Umkehr der Drehungsrichtung ohne Zuhülfenahme von unwirthschaftlichen Zwischenvorrichtungen möglich. Auch kann bei geringer Drehungsgeschwindigkeit und bei der Ingangsetzung ein starkes Drehmoment am Anker erzeugt werden, ohne Aufwendung einer bedeutenden elektrischen Energie, weil der Motor vermöge seiner Wirkungsweise als Stromwandler eine grofse Stromstärke bei geringer Stromspannung erzeugen kann und dann auch nur eine verhältnifsmäfsig geringe Energie verbraucht.

Der hier beschriebene Motor ist nämlich als Stromwandler mit zwei Primärströmen zu betrachten: dem Erregerstrom, welcher in die Magnetwickelung, und dem Arbeitsstrom, welcher in die Ankerwickelung gesendet wird. Letzterem Strom setzt sich der durch den Erregerstrom inducirte Secundärstrom im Anker entgegen. Zur Beurtheilung der in dem Elektromotor verbrauchten elektrischen Energie ist nebst der im Anker bestehenden Stromstärke, welche von dem Spannungsunterschied E-en abhängig und für die Stärke des Drehmomentes mafsgebend ist, nicht die Spannung des Arbeitsstromes E zu berücksichtigen wie bei anderen Elektromotoren, sondern der Spannungsunterschied E-e n°.

Man kann daher durch entsprechende Stellung der Bürsten zwischen ο und go° eine genügende Drehkraft bei Stillstand des Elektromotors hervorrufen, wobei nur so viel elektrische Energie aufzuwenden ist, als dem Widerstand der Ankerdrähte bei der dem gewünschten Drehmoment entsprechenden Stromstärke zukommt. Diese Energie ist viel geringer als diejenige, welche bei gewöhnlichem Gang des Elektromotors unter Wirkung eines gleichen Drehmomentes aufgewendet wird. Unter Annahme des gleichen Drehmomentes verhält sich die elektrische Energie, welche im Stillstand, zu derjenigen, welche bei einer Geschwindigkeit η verbraucht wird, wie (E-en) : (E-e n°J, beide Werthe gemessen an demjenigen Punkte, wo die Bürsten im letzteren Falle sich befinden (z. B. .bei M in Fig. 5).

Die Wirkungsweise dieses Elektromotors, sowie die Wirkungen der Bürstenverstellung als Regelungs- und Steuerungsmittel sind demnach gänzlich verschieden von denjenigen, welche bei anderen Elektromotoren bekannt sind. Diese Art der Steuerung ist mit den vervollkommneten Steuerungen an Dampfmotoren zu vergleichen, bei denen die Expansion verändert wird, im Gegensatz zu den bisher angewendeten Steuerungsmethoden an Elektromotoren, die mit der Drosselung des Dampfes verglichen werden können.

Durch selbstthätige Stellung der Bürsten kann man die Geschwindigkeit, die Drehkraft u. s. w. des Elektromotors auch selbstthätig regeln, je nachdem entweder ein Geschwindigkeitsregler, ein Stromstärkeregler oder irgend eine selbstthätige Vorrichtung, welche für einen bestimmten Zustand oder eine bestimmte Leistung eingerichtet ist, die Bürstenbewegung beherrscht. Für elektrische Eisenbahnen u. dergl. z. B. eignet sich diese Regelung und Steuerung der treibenden Elektromotoren durch das Bürstenstellen ganz besonders, und zwar wird die Einstellung am zweckmäfsigsten durch. den Wagenführer von Hand bewerkstelligt werden.

Wenn auch in den schematischen Zeichnungsbeilagen der einfachen Darstellung wegen zweipolige Vorrichtungen und Ringanker angenommen wurden, so ist es selbstverständlich, dafs sich die neue Anordnung ebenso auch auf mehrpolige Vorrichtungen, auf Trommel-, Flachring-, Scheiben- und beliebig geformte andere Anker, endlich auch auf Aufseh- und Innenpolmaschinen anwenden läfst.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Ein Wechselstrommotor, dessen Ingangsetzung, Umsteuerung und Geschwindigkeitsregelung, ohne eines Hülfswiderstandes zu bedürfen, bewirkt wird durch die Verstellung der den Arbeitsstrom in den Anker einführenden Bürsten aus der Nulllage, in welcher die im Anker inducirte elektromotorische Kraft dem Arbeitsstrom das Gleichgewicht hält, dadurch gekennzeichnet, dafs mehrere nach Fig. ι bis 4 symmetrisch verbundene, gesonderte Stromkreise bildende Wickelungsgruppen von wesentlich gleicher elektromotorischer Kraft durch die Bürsten periodisch mit dem Feld parallel geschaltet werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.