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Einphasenreihenschlußmotor mit zusammengefaßter Ständerwicklung Es
ist bekannt, Wechselstromreihenschlußmotoren mit einer zusammengefaßten Ständerwicklung
auszuführen, welche zugleich die Erregung, Kompensation und Wendepolerregung liefert.
Motoren mit derartigen Wicklungen sind äußerst wirtschaftlich, da sie sehr kleine
Abmessungen aufweisen. Ein Nachteil der zusammengefaßten Wicklungen besteht nun
darin, daß es Schwierigkeiten bereitet, das Wendefeld so zu beeinflussen, daß sich
die günstigsten Kommutierungsbedingungen ergeben. Dies ist dadurch begründet, daß
bei zusammengefaßten Wicklungen eine ausgeprägte Wendepolwicklung überhaupt nicht
vorhanden ist.
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Für größere Motoren mit verteilter Wicklung, bei der abwechselnd einzelne
Teile ein-bzw. ausgeschaltet werden, sind bereits Vorschläge gemacht worden, Wendepolzusatzw
icklungen vorzusehen. Derartige Anordnungen verbieten sich indessen bei kleineren
Motoren, wie sie für Hilfsantriebe (ölpumpenmotoren, Lüftermotoren u. dgl.) auf
Wechselstromlokomotiven benötigt werden. Derartige Motoren, die im Betrieb gewöhnlich
nicht umgesteuert werden, besitzen im Verhältnis zu den Fahrmotoren nur eine geringe
Leistung. Die Erfindung behandelt die Aufgabe, für derartige Motoren eine besonders
einfache Wicklung zu schaffen, welche es ohne die Anwendung zusätzlicher Hilfswicklungen
ermöglicht, das Wendefeld so zu beeinflussen, daß die günstigsten Kommutierungsbedingungen
vorhanden sind.
Gegenstand der Erfindung ist ein Einphasenreihenschlußmotor
mit zusammengefaßter. aus zwei oder mehreren zueinander konzentrisch gewickelten,
dauernd eingeschalteten Spulen je Pol bestehender Ständerwicklung und mit Änderung
der Drehrichtung durch Bürstenverstellung, der sich dadurch auszeichnet. daß die
nach Wickelschritt und Windungszahl einander gleichenden Spulen der einzelnen Pole
zu sich wenigstens teilweise über den -Maschinenumfang erstrekkenden Wicklungszweigen
zusammengefaßt sind, die auf diesem Wege gebildeten Wicklungszweige miteinander
in Reihe geschaltet sind und daß zu den Wicklungszweigen wenigstens teilweise Impedanzen
(Widerstände) parallel geschaltet sind. so daß mindestens in einem @@'icklungsteil
ein Strom fließt, der nach Größe oder Phasenlage oder beiden Größen ungleich dem
in den anderen Wicklungszweigen auftretenden Strom ist.
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Im folgenden soll die Erfindung näher all Hand der Zeichnung erläutert
«-erden.
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Fig. i zeigt zunächst grundsätzlich das Schema einer derartig verteilten
Wicklung. e ist das Eiseppaket: das mit eitler gleichmäßigen Nutung versehen ist.
Die Wicklung tvird durch konzentrisch zueinander liegende Spulens gebildet. Mit
w1 und w., sind noch die Ständerzähne bezeichnet, welche die Funktion des Wendepoles
übernehmen.
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Fig. 2 der Zeichnung gibt das Amperewindungsdiagramm wieder. Die aus
den Spulens gebildete Ständerwicklung liefert das ausgezogen dargestellte, treppenförmig
gestaltete Ständeramperewindungsdiagramm. Mit gestrichelten Linien bzw. punktierten
Linien sind die Ankeramperewindungsdiagramme wiedergegeben. Die verschiedene Lage
dieser beiden Diagramme ergibt sich aus der für die Zwecke der Drehrichtungsumkehr
angewendeten Bürstenverstellung.
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Fig.3 zeigt schematisch die bisher angewendete bekannte Schaltung
der Spulen. Der Strom verläuft zunächst durch sämtliche Spulen des einen Poles und
danach durch die Spulen des nächstfolgenden Poles. Man erkennt aus den Fig. i bis
3 ohne weiteres. daß es bei einer derartigen Schaltung nicht möglich ist, die Erregung
der Wendezähne wi, w" in der Weise zu beeinflussen, daß der Größe und Phase nach
ein bestimmtes Wendefeld hervorgerufen wird. Würde man null 7usätzliche Wicklungen
für die Wendezähne vorsehen, so würde sich dadurch eine erhebliche Verwicklung des
ganzen -Motors ergeben, die indessen gerade vermieden werden soll. Man könnte zwar,
wie in Fig.3 angedeutet ist, einen Ohmschen Widerstand r' zu den beiden Wicklungszweigen
parallel schalten. Eine derartige Lösung ist auch bereits versucht ' «-orden. sie
ist indessen höchstens in Sonderfällen brauchbar, weil sich hierbei eine sehr ?
unwirtschaftliche Ausbildung des 'Motors ergibt. Da der Spannungsabfall an der ganzen
Ständerwickhing verhältnismäßig groß ist. beispielsweise bei kleineren 'Motoren
in der Größenordnung von 4o°/o der Klemmen-Spannung liegen kann, ergeben sich große
Verluste in dem Parallelwiderstand r', sobald ein ausreichender Strom durch den
Parallel-' widerstand fließen soll. Die Schaltung hat ferner zur Folge, daß neben
dein Urendefeld auch das Hauptfeld gegenüber dem Strom im Sinne eitler Nacheilung
verschoben wird, wodurch zwar eine bedeutende Verbesserung des Leistungsfaktors,
aber auch eilte Verringerung des Drehmomentes erreicht wird. Wegen der schlechten
Ausnutzung der Motonen hat sich diese Schaltung nicht durchsetzen können. Man hat
daher bei derartigen -Totoren auf den Ausgleich der transformatonischen E--UK verzichtet.
Dies hat aber zur i Folge, daß die Motoren nur verhältnismäßig niedrig beansprucht
werden können, also die Raum- und Gewichtsersparnisse, die an sich mit der zusammengefaßten
Wicklung erzielbar sind, zum großen Teil wieder verlorengehen.
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Fig..4 gibt nun die erfindungsgemäß ausgebildete Schaltung wieder.
Diese Schaltung zeichnet sich dadurch aus, daß zunächst die il= jeder Polteilung
außen liegenden Spulen s" miteinander in Reihe geschaltet sind und daß mit der aus
den Spulen s, gebildeten Spulengruppe die innenliegenden Spulen sl jeder Polteilung
in Reihe geschaltet sind, die wiederum zu einer Spuleilgruppe zusammengefaßt sind.
Der Parallelwiderstand r ist sodann zu der aus den Spulen sf gebildeten Spuleilgruppe
parallel geschaltet.
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Fig. _# zeigt das resultierende Amperewindungsdiagramm. Dieses Diagramm
ist durch Summierung der Anker- und Ständeramperewindungen gemäß Fig. a gebildet.
Das Diagramm der Fig. 5 zeigt also die an jedem Punkt des Ankerumfanges wirksamen
Amperewindungen und entspricht der Zerteilung der Felder unter der Voraussetzung,
daß die :Maschine keine magnetische Sättigung und überall den gleichen Luftspalt
besitzt. Ist nun der Parallelwiderstand nur noch parallel zu den innenliegenden
Spulen angeordnet, so wirkt er dämpfend und phasenverschiebend allein auf den Teil
des Hauptfeldes, der im Diagramm der Fig.3 schraffiert hervorgehoben ist. -Mit ,v
ist die Wendezone bezeichnet. Gegenüber der Schaltung nach Fig.3 hat die erfindungsgemäße
Schaltung den großen Vorteil zur Folge, daß die Spannung am Parallelwiderstand um
mehr als die Hälfte verringert ist. Sie kann also beispielsweise
bei
einem dem oben angeführten Motor entsprechenden Beispiel nur noch etwa i50 /o der
Motornennspannung erreichen. Der Strom im Pärallelwiderstand müßte eigentlich größer
sein als bei der vorerwähnten Anordnung. Tatsächlich bleibt er merklich kleiner,
etwa von der Größenordnung von 40% des Ankerstromes, weil nicht mehr das ganze Hauptfeld
in der Phase nacheilt und daher auch der Ausgleich der transformatorischen EMK keine
so große phasenverschobene Komponente mehr erfordert. Die Verluste im Parallelwiderstand
können infolgedessen bedeutend herabgesetzt werden, so daß sie beispielsweise in
der Größenordnung von 5 bis 6% der ganzen Motorleistung liegen.
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Weiter geht aus Fig.5 hervor, daß das Hauptfeld gerade in dem Teil
gedämpft wird, in dem bei der angegebenen Wicklung eine starke Spitze in dem Erregeramperewindungsdiagramm
vorhanden ist. Eine derartige Spitze kann aber unerwünscht sein, denn sie ergibt
unter Umständen an einer bestimmten Stelle des Ankerumfanges hohe Eisensättigungen.
Die Eisenverluste der Maschine sind etwa proportional dem Quadrat des Spitzenwertes
der Kraftliniendichte, so daß die Abflachung der Spitze eine ganz erhebliche Verringerung
der Eisenverluste hervorruft, die eine Wirkungsgradverbesserung etwa in der Größenordnung
von i % zur Folge hat. Das Drehmoment des Motors jedoch, das dem Mittelwert des
ganzen Hauptfeldes proportional ist, sinkt nicht entsprechend der Spitze der Arnperewindungen,
sondern erheblich weniger. Auch die Phasenverschiebung des Hauptfeldes ist kleiner
als bei der Schaltung gemäß Fig.3. Dies hat zur Folge, däß der durch die Phasenverschiebung
bedingte Verlust an Drehmoment verringert ist. Es ergibt sich somit, daß gegenüber
der Schaltung nach Fig. 3 durch die Erfindung eine Erhöhung des Drehmomentes und
eine Verringerung der Eisenverluste erreicht wird: Auch der Leistungsfaktor ist
bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Motor, wie ausgeführte Maschinen gezeigt
haben, noch sehr gut. Er liegt etwa in der Größenordnung von o,99. Hierin liegt
aber eine große Überlegenheit des erfindungsgemäß ausgebildeten Motors, da bei den
Motoren üblicher Ausführung mit gesonderter Erregerwicklung, Kompensationswicklung
und Wendepolwicklung nur ein Leistungsfaktor von etwa o,9 erreicht wird. Die hierdurch
bedingte Stromverringerung hat zur Folge, daß auch ein kleinerer Kupferquerschnitt
verwendet werden kann.
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Ein weiterer Vorteil gegenüber den üblichen Motoren mit gesonderter
Erreger-, Kompensations- und Wendepolwicklung liegt in der nicht unbeträchtlichen
Verkürzung der gesamten Windungslänge. Bisher wurde als Beispiel eine zweipolige
Maschine betrachtet, bei der die Wicklungen beider Pole in Reihe liegen. Grundsätzlich
kann die angegebene Schaltung selbstverständlich auch dann Anwendung finden, wenn
die Maschine eine größere Polzahl aufweist.
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Ferner kann der Erfindungsgedanke auch dann Anwendung finden, wenn
die Innen-oder außenliegenden Spulen der einzelnen Spulengruppen statt in Reihenschaltung
gemäß Fig. 4. in Parallelschaltung angeordnet sind. Fig.6 zeigt eine derartige Schaltung.
Es sind zunächst die außenliegenden Spulen s, der Pole einander parallel geschaltet,
und mit der auf diesem Wege gebildeten Spulengruppe ist die aus den innenliegenden
parallel geschalteten Spulen s1 gebildete Spulengruppe in Reihe geschaltet. Der
Widerstand r ist wieder zu der aus den Spulen s1 gebildeten Spulengruppe parallel
geschaltet. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Schaltung ge-. mäß Fig.6 auch
dann Anwendung finden kann, wenn die Maschine eine größere Polzahl besitzt.
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Die Vorteile der erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltung beruhen darauf,
daß das Wendefeld so gedämpft und in der Phase nacheilend verschoben werden kann,
wie es für die Unterdrückung der Funken an den Bürsten am wirkungsvollsten ist,
und daß gleichzeitig das Hauptfeld weniger als das Wendefeld beeinflußt wird. Zur
Erzielung eines guten Leistungsfaktors reicht dies aus, ohne daß dabei der Wirkungsgrad
und die Drehmomentausnutzung zu schlecht werden.
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Es war bisher vorausgesetzt, daß die Windungszahlen der innen- und
außenliegenden Ständerspulen s1 bzw. s" einander gleich sind. Im allgemeinen wird
dies auch wegen der günstigsten Raumausnutzung angestrebt. In einzelnen Fällen kann
aber die Wendepolerregung hierdurch zu stark werden. Man müßte dann einen Parallelwiderstand
anwenden, der zu große Verluste bringt und der auch räumlich unbequem unterzubringen
ist. In derartigen Fällen wird gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung die
Windungszahl der innenliegenden Spulen vermindert; andererseits sind auch Fälle
denkbar, in denen mit Rücksicht auf den Leistungsfaktor eine stärkere Phasenverschiebung
des Hauptfeldes erwünscht ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Windungszahl
der außenliegenden Spulen s" vermindert wird. Die gleiche Wirkung kann erreicht
werden, wenn die Wicklung jedes Poles so aufgeteilt wird, daß zu der einen Spulengruppe
alle Windungen der großen Spulen und ein Bruchteil der Windungen der kleinen Spulen
gehören,
während der Rest der Windungen der kleinen Spulen der anderen
Spulengruppe zugeordnet sind. Umgekehrt kann auch zu der Spulengruppe aus kleinen
Spulen eine Anzahl von Windungen der großen Spule hinzugenommen werden. Es ergeben
sich hierbei gemischte Schaltungen, die es gestatten, das Haupt- und Wendefeld in
beliebiger Weise zu beeinflussen.
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Eine weitere 'Möglichkeit, die Felder der :Maschine in der gewünschten
Weise zu beeinflussen, besteht darin. daß man den beiden Wicklungszweigen verschiedene
Widerstände oder Impedanzen parallel schaltet, ivie in Fig. 7 der Zeichnung angedeutet
ist. Zur Z'ereinfachung ist in dieser Figur nur noch die Wicklung eines einzigen
Poles gezeichnet. Zu der innenliegenden Spule s= ist der Widerstand r-1 und zu der
außenliegenden Spule s" der Widerstand r" parallel geschaltet. Die" beiden Widerstände
r= und r" können nun beliebig gewählt werden, z. B. derart. daß der Widerstand r=,
der die Phasenlage des Wendefeldes und eines Teiles des Hauptfeldes beeinflußt und
demnach zur kleineren Spule s= parallel geschaltet ist, klein ist_, so daß sich
eine starke Beeinflussung des Wendefeldes ergibt, während der andere Widerstand
r", der zwar auch das Wendefeld, aber einen größeren Teil des Hauptfeldes beeinflußt,
einen verhältnismäßig großen Widerstand besitzt.
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Weiter ist es möglich, daß der Widerstand r= überwiegend als Ohinscher
Widerstand ausgebildet wird. so daß er die phasennacheilende Komponente des Wendefeldes
liefert, während der Widerstand r" ein induktiver Widerstand ist, so daß ein kleiner
Teil des Hauptfeldes in der Phase voreilend verschoben wird und das gesamte Hauptfeld
damit nochmals in seiner Phasenlage beeinfußt werden kann. sowie es für die betreffende
'Maschine in jedem einzelnen Fall am :weckmäßigsten ist.
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Im folgenden sollen die sich hierbei ergehenden Wirkungen an Hand
der Ampere ,vindungs- und Vektordiagramme erläutert ,werden. Fig. e a zeigt nochmals
das Erregeriiagramm, das Fig. j entspricht und die Größenordnung an Amperewindungen
wieder- i ;ibt. Die einzelnen Feldzonen. die sich aus ' ier Verteilung der Ständerwicklung
ergeben, sind mit den Buchstaben A bis E bezeichnet. :n Fig. Sb sind die Vektoren
der in den ein-:einen Feldzonen auftretenden Ankeramperevindungen (9 dargestellt.
Die Größe der Vekoren kann dem Diagramm der Fig. -2 entiommen werden. In Fig. 8
c sind die Vektoren [er in den einzelnen Zonen auftretenden itänderamperewindungen
(" der außenliegenlen Spulen s" und in Fig. 8 d die Vektoren [er Amperewindungen
O= in den einzelnen Feldzonen. welche von den innenliegenden Spulen hervorgerufen
werden. dargestellt. Vorausgesetzt ist dabei, daß der Widerstand bzw. die Impedanz
r" so gewählt ist. daß der Strom voreilend ist, während umgekehrt durch Bemessung
des Widerstandes r= der innenliegenden Spulen eine Phasermacheilung auftritt. Fig.
8e gibt schließlich die Vektoren der resultierenden Amperewindungen r (h ,welche
in den einzelnen Feldzonen wirksam sind, wieder. 'Man erkennt aus der Fig. 8e, daß
in der Wendezone (Feldzone E) eine geringe phasennacheilende Erregung vorhanden
ist, wie sie für die Zwecke der Kommui tierung benötigt wird.
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Den Gesamtvektor des Hauptfeldes erhält I man, wenn der 'Mittelwert
für die Feldzonen A-D gebildet wird. Der Einfluß der Eisensättigung ist hierbei
unberücksichtigt gelassen. Fig. 9 zeigt die graphische Summierung der einzelnen
Teilvektoren zu dem Gesamtvektor ° des Hauptfeldes. Aus dem Diagramm geht hervor,
daß das Hauptfeld im ganzen nur wenig nacheilt, während bei der in der Wendezone
wirksamen Feldkomponente eine starke Nacheilung vorhanden ist. Es ergibt sich somit.
daß es die Erfindung ermöglicht, die Phasenwinkel des Hauptfeldes und der das Wendefeld
bildenden Feldkomponente praktisch unabhängig voneinander auszuführen. Weitgehend
kann dabei außerdem durch die Wahl der Ständernutteilung sowie der Eisensättigung
eine Beeinflussung des Hauptfeldes sowie des Wendefeldes herbeigeführt werden.
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Wurden bisher nur Motoren mit zwei Spulen je Pol betrachtet, so ist
es indessen bei größeren Maschinen auch möglich, drei oder mehr konzentrische Spulen
je Pol anzuwenden. Hierdurch ergeben sich weitere Möglichkeiten, den Feldverlauf
weitgehend zu beeinflussen. Fig. io a bezieht sich auf eine Wicklung mit einer großen
Spulenzahl je Pol. In Fig. rob sind Ständer- und Ankeramperewindungsdiagramme für
diesen Fall wiedergegeben, während Fig. ioc das resultierende Amperewindungsdiagramm
zeigt. Bei dieser Wicklung können der Größe des Wickelschrittes nach drei verschiedene
Arten von Spulen unterschieden werden. Die Spulen der Wicklungsart I haben einen
Wickelschritt. der größer ist als der Abstand der äußeren Wendezonengrenzen. Diese
Spulen erregen nahezu das ganze Haupt- und Wendefeld. Sie entsprechen den Spulen
s, der oben behandelten Wicklung. Die Spulen der Wicklungsart II haben einen Wickelschritt,
der genau gleich dem Abstand der äußeren Grenzen der Wendezonen w1 und a,., ist.
Praktisch ist je Polteilung nur eine einzige Spule dieser Art vorhanden. Sie erregt
wie die Spule s= das
Wendefeld und einen kleineren Teil des Hauptfeldes.
Schließlich sind noch Spulen der Wicklungsart III vorhanden, deren Wickelschritt
gleich oder kleiner als der Abstand der inneren Grenzen der Wendezonen w1 und w2
ist. Diese Spulen erregen daher lediglich einen Teil des Hauptfeldes und keinen
Teil des Wendefeldes. Die innenliegenden Spulen der Wicklungsart III geben die Möglichkeit,
das Hauptfeld nach Phasenlage und Größe zu beeinflussen, ohne daß hierdurch das
Wendefeld in Mitleidenschaft gezogen ist. Grundsätzlich besteht schaltungstechnisch
kein wesentlicher Unterschied gegenüber der im vorstehenden behandelten Wicklung.
Die einzelnen Spulen der Spulengruppen können wieder beliebig in Reihe oder parallel
geschaltet werden. Ferner können in den einzelnen Spulengruppen ungleiche Windungszahlen
angewendet werden. Die Verteilung der Wicklung auf die Ständernuten kann unsymmetrisch
sein. Die Parallelschaltung von Widerständen zu den Spulengruppen kann beliebig
bei ein, zwei oder drei Spulengruppen Anwendung finden, je nachdem wie es sich für
die Beeinflussung des Feldes der Maschine am günstigsten erweist. Fig. II zeigt
schematisch die Zuordnung von verschiedenen Widerständen rI, rII, rIII zu den einzelnen
aus Spulen verschiedener Weite bestehenden Spulengruppen I, II, III.
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Schließlich seien noch die Möglichkeiten betrachtet, welche die Herstellung
phasenverschiedener Ströme in den Wicklungen gestatten. Grundsätzlich kann die Phasenverschiebung
in den einzelnen Wicklungszweigen durch diej enigen Mittel herbeigeführt werden,
die in der Wechselstromtechnik üblich sind. Es können dabei beliebige Widerstände
oder Widerstandskombinationen, die auch Kapazitäten enthalten können. Anwendung
finden. Am einfachsten ist das Parallelschalten von Ohmschen Widerständen. In der
Regel wird man diese Lösung vorziehen. In einzelnen Fällen kann es aber auch zweckmäßig
sein, eine Phasenvoreilung herbeizuführen. In diesem Fall können den Wicklungssträngen
Ohmsche Widerstände vorgeschaltet und induktive Widerstände parallel geschaltet
%verden. Weiter ist es möglich, an Stelle von Widerständen Stromquellen (Transformatoren,
Generatoren od. dgl.) zu verwenden, welche Zusatzströme beliebiger Größe und Phase
in den Wicklungszweigen hervorrufen und gestatten, die Ströme in den Wicklungszweigen
nach Größe und Phase auf den gewünschten Wert zu bringen..