DE84534C - - Google Patents

Description

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21: Elektrische Apparate.

E. ARNOLD in KARLSRUHE. Inductionsmotor mit mehrtheiligen Stromwenderbürsten.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 6. Oktober 1894 ab.

Der den Gegenstand dieser Erfindung bildende Inductionsmotor besteht aus einem inducirenden, durch Wechselstrom erregten Magnetfelde und einem Anker, dessen Wickelung nach Art von Gleichstromarmaturen hergestellt und mit den Stegen eines Stromwenders verbunden ist. Das Eisen des Feldes und des Ankers ist _untertheilt. Die Neuerungen an diesem Motor beziehen sich auf die Anwendung und Schaltungsart von mehrfachen Schleif bürsten, welche so angeordnet sind, dafs die Funkenbildung am Stromwender infolge des Kurzschliefsens der Ankerwindungen und infolge von Stromunterbrechungen vermieden wird.

In Fig. ι ist ein Inductionsmotor schematisch dargestellt. K₁ und K₂ bedeuten die primären Klemmen, mittelst derer der Motor mit der Stromquelle verbunden wird. FF bezeichnet die feststehende Feldwickelung, w w die Ankerwickelung und S den Stromwender. Der Einfachheit halber ist eine zweipolige Anordnung gewählt. Der Anker, welcher ebenso wie die Anker der Gleichstrommaschinen mit Ring- oder Trommelwickelung versehen sein kann, ist in Fig. 1 mit Ringwickelung ausgeführt gedacht, welche in acht Spulen entsprechend den acht Stromwenderstegen eingetheilt ist.

Werden nun bei erregtem Felde und richtiger Stellung der auf dem Stromwender schleifenden Bürsten die Bürsten entgegengesetzter Polarität unmittelbar oder durch einen Widerstand leitend mit einander verbunden , so entsteht ein Drehmoment. Die Umdrehungszahl des Ankers läfst sich durch Aenderung des zwischen den Bürsten eingeschalteten Widerstandes regeln. Sind Stromwender und Bürsten ebenso angeordnet wie bei Gleichstrommaschinen, so entsteht durch das Kurzschliefsen von benachbarten Stegen und der dazwischenliegenden Ankerspule am Stromwender eine heftige Funkenbildung, welche den Betrieb unmöglich macht.

In dem hier beschriebenen Motor wird die Funkenbildung wie folgt vermieden:

Jede Bürste wird aus zwei oder mehr von einander isolirten Theilen zusammengesetzt, und je zwei benachbarte Stege des Stromwenders sind durch eine breite Isolationsschicht, in Fig. ι mit i bezeichnet und schraffirt, getrennt. In Fig. 1 ist jede Bürste aus zwei Theilen oder zwei einfachen Bürsten zusammengesetzt ; letztere sind mit A₁ A₂ und B₁ B₂ bezeichnet. Die Auflagebreite einer einfachen Bürste mufs kleiner sein als die Dicke der Isolation i, so dafs zwei benachbarte Stege, z. B. 1 und 8, nicht kurz geschlossen werden können. Damit aber, sobald z. B. die Bürsten A₁ und B₁ in der Mitte der Isolation i stehen, keine Stromunterbrechung stattfindet, mufs die Auflagebreite der Doppelbürsten A₁ A₂ und B₁ B₂ gröfser sein ' als die Dicke der Isolation i. Die einfachen Bürsten A₁ A₂ und B₁ B₂ sind von einander isolirt, und A₁ ist mit B₁ durch den regelbaren Widerstand .R₁ und A₂ mit B₂ durch den regelbaren Widerstand R₂ verbunden. Nehmen wir nun an, der Anker habe sich um so viel gedreht, dafs Bürste A₁ mit Steg 1, Bürste A₂ mit Steg 8, Bürste S₁ mit Steg 5, Bürste B₂ mit Steg 4 in Verbindung stehe, so kann ein

Kurzschlufs der Ankerspulen C₁ C₈ und C₅ C₄ nicht erfolgen, sondern die Widerstände R₁ und R₀ sind in den Stromkreis eingeschaltet; wir erhalten nämlich die in sich geschlossene Leitung A₁-1-C₁-Cg-8-A₀-R₀-B₀-^.-C^Cr-^₁-B₁-R₁-A₁.

Die in den Ankerspulen C₁ C₈ und C₅ C₄ inducirten E. M. Kräfte suchen in dieser Leitung einen Strom zu erzeugen, welcher die Widerstände R₁ und R₂ in entgegengesetzter Richtung durchfliefst. Da nun der Arbeitsstrom, d. h. der in den übrigen Ankerspulen inducirte Strom, die Widerstände R₁ und R₀ in gleicher Richtung durchfliefst, so ist das Ergebnifs eine ungleiche Stromvertheilung in R₁ und R₂, insofern R₁ = R₂ ist.

Verläfst die Bürste A₀ den Steg 8 und B₀ den Steg 4, so wird die Leitung A₀ R₀ B.₂ unterbrochen, und wenn die Selbstinduction oder die Stromstärke derselben eine gewisse Grenze überschreiten, so tritt am Stromwender Funkenbildung auf. Durch Vergröfserung des Widerstandes R₁ kann die zu unterbrechende Stromstärke vermindert und die Funkenbildung verkleinert oder beseitigt werden. Noch günstiger gestaltet sich das Unterbrechen der äufseren stromführenden Leitungen, wenn der Arbeitsstrom auf mehr als zwei Leitungen vertheilt wird. Das wird erreicht durch die Anwendung von mehrfachen Bürsten.

In Fig. 2 ist das Schema für die Anwendung von vierfachen Bürsten gegeben. Der Stromwender und die Ankerwickelung sind dabei in die Ebene des Papiers abgewickelt gedacht. q_y ^₀ ... bezeichnen die Stege des Stromwenders, i die zwischenliegende Isolation, n> n> die Ankerwickelung, A₁ bis A_A und B₁ bis jB₄ die Bürsten. Je zwei symmetrisch liegende einfache Bürsten entgegengesetzter Polarität ^₁-JS₁, A₂-B₂, A₃-B₃ und A_i-B_i sind durch einen Widerstand T₁ bezw. r.₂ r₃ r₄ leitend mit einander verbunden. Die Auflagebreite einer einfachen Bürste mufs kleiner sein als die Dicke der Isolation i, so dafs benachbarte Stege, z. B. q₁ und q₂, nicht unmittelbar kurzgeschlossen werden können.

Um die Wirkungsweise und Vorzüge der mehrfachen Bürsten zu erläutern, gehen wir von der in Fig. 2 angenommenen Stellung des Stromwenders aus. Es sind die Bürsten A₁ und A₂ mit Steg q₁, Bürsten A₃ und A₁ mit Steg q₂, Bürsten .B₁ und B₀ mit Steg q_m, Bürsten B₃ und B₄ mit Steg q_n in Verbindung. Der in den Ankerwindungen w inducirte Strom wird daher in dieser Stellung des Stromwenders sä'mmtliche vier Widerstände T₁ bis r₄ durchfliefsen. Sind die Widerstände einander gleich und beträgt die ganze Stromstärke z. B. 200 A., so erhalten wir für jeden äufseren Widerstand 50 A. Denken wir uns nun den Stromwender mit den Ankerwindungen in der Richtung des Pfeiles bewegt, so kommen zunächst die Bürsten A₂ und B₂ aufser Berührung mit den Stegen q₁ und q_m, und die Leitung A₂ r₀ B₀ wird unterbrochen. Da diese Leitung jedoch nur V₄ des Arbeitsstromes aufnahm, so kann die Funkenbildung am Stromwender keine erhebliche sein, wenn wir gleichzeitig dafür sorgen, dafs die Leitung A₀ r₂ B₀ inductionsfrei ist.

Mit zunehmender Bewegung des Stromwenders kommen auch die Bürsten A_i und B₄ aufser Berührung mit den Stegen und die Leitung A_t r₄ jB₄ wird unter denselben Bedingungen wie A₂ r₂ B₀ unterbrochen. Da die Stege ^₁ und q₀ mit den Stegen q_m und q_n jetzt nur noch durch die Widerstände r_x und r₂ verbunden sind, so hat sich der äufsere Widerstand sowohl für den Arbeitsstrom als für die Wirkung der kurzgeschlossenen Ankerspulen verdoppelt, der Arbeitsstrom kann daher bei demselben Werthe der inducirten E. M. K. wie früher nur die Hälfte des früheren Werthes erreichen. Wenn daher endlich infolge Weiterbewegung des Stromwenders die Leitung A₁ T₁ B₁ unterbrochen wird und die ausgeschalteten Spulen C₁ C₀ und C_1n C_n wieder in den Arbeitsstromkreis eintreten, so erfolgt die Unterbrechung unter solchen Bedingungen, dafs eine Funkenbildung am Stromwender vermieden werden kann. Gleichzeitig erfolgt das Kurzschliefsen der nächsten Ankerspulen C₂ C₃ und C_nC₀ zunächst nur durch die Widerstände r₃ und r₄.

Es ist hieraus ersichtlich, dafs durch Anwendung von vieltheiligen Bürsten die in einem gegebenen Augenblick zu unterbrechende Stromstärke auf einen fast beliebigen Mindestwerth begrenzt und das unmittelbare Kurzschliefsen der Ankerspulen vermieden werden kann.

Das Kurzschliefsen und Oeffhen oder das Aus- und Einschalten der Ankerspulen aus und in den Arbeitsstromkreis erfolgt durch einen allmälig zunehmenden Widerstand.

Anstatt die symmetrisch gelegenen Bürsten zu verbinden, wie das in den Fig. 1 und 2 geschehen ist, können auch die äufseren und inneren Bürsten mit einander verbunden werden. Die Breite der Isolation und die Stellung und Zahl der Bürsten ist so zu wählen, dafs weder eine Unterbrechung des Arbeitsstromes noch ein unmittelbarer Kurzschlufs der Bürsten stattfindet.

Werden bei zweifachen Bürsten die inneren und äufseren Bürsten, d. h. A₁ mit B₂ und A₂ mit B₁ verbunden, so erhalten wir das Schema Fig. 3. In diesem Falle wird jede Spule des Ankers, z. B. C₁ C₀ und C_n, C_n, durch die äufseren Widerstände r\ und r₂ einzeln kurzgeschlossen oder nach einander in den Ar-

breitsstromkreis und aus dem Arbeitsstromkreise geschaltet. Aus Fig. 3 ist das leicht zu ersehen. Berührt z. B. Bürste .B₁ den Steg q_m und B₂ den Steg q_n, so stehen die Bürsten A₁ und A₂ in Verbindung mit q₂, wir erhalten daher für die Wirkung der kurzgeschlossenen Spule C_1n C_n die Leitung q₂-A_xr_x-B₂-q_n-C_n-C ,^q_n-B₁-V ₂-A₂-q_v

Die Ankerspule C₂ C₃ wird erst aus dem Arbeitsstromkreise ausgeschaltet, wenn A₁ mit q.₂ und A₂ mit ^₃ in Berührung tritt. C_1n C_n ist dann wieder in den Arbeitsstromkreis eingetreten, und die Bürsten B₁ B₂ stehen in Verbindung mit q_n. Der Vorzug dieser Schaltung liegt somit darin, dafs für den Kurzschlufs jeder einzelnen Spule zwei äufsere Widerstände in Reihe geschaltet sind, und dafs das Kurzschliefsen von symmetrisch gelegenen Ankerspulen nicht gleichzeitig, sondern nach einander erfolgt.

Etwas anders gestalten sich die Vorgänge bei Anwendung von mehr als zweifachen Bürsten. Als Beispiel ist in Fig. 4 das Schema für vierfache Bürsten aufgezeichnet. Die Stellung ist so gewählt, dafs die Ankerspulen C₁ C₂ und C_m C_n durch die äufseren Widerstände kurzgeschlossen sind. Die Spulen C₁ C₂ und C_m C_n haben eine zum Magnetfelde symmetrische Lage; befindet sich z. B. ■die eine Spule unter einem augenblicklichen Südpole, so liegt die andere unter einem Nordpole, die in C₁ C₂ und C_m C_n inducirten E. M. K. haben daher stets entgegengesetzte Richtung.. Diese Richtung ist entsprechend dem inducirenden Wechselstromfelde eine wechselnde. In Fig. 4 sollen die Pfeile JJ₁ und pe, die Richtung der inducirten E. M. K. in einem bestimmten Augenblick angeben. Während sich nun diese E. M. K. in der Schaltung nach Fig. 2 im äufseren Stromkreis unterstützen, wirken in Fig. 4 dieselben einander entgegen, und da sie einander gleich sind, hebt sich ihre Wirkung auf.

Denken wir uns nun in Fig. 4 den Stromwender in der Richtung des Pfeiles so weit verschoben, dafs A₁ mit q₁ , A₂ mit q₂, B₁ mit q_m und JB₂ mit q_n in Berührung ist, dann berühren die Bürsten A₃ A_i den Steg q₂ und die Bürsten JS₃ JB₄ den Steg q_n für kurze Zeit, und jede der Ankerspulen ist während dieser Zeit für sich durch zwei äufsere Widerstände kurz geschlossen. Wir erhalten für C₁ C₂ den Stromkreis q₁-A₁-r₁-B₄-q_n-B₃-r₂-A₂-q₂ -C₂-C₁ -^₁ und für C_1nC_n den Stromkreis qn-B^r ^-A^q₂-A^r^-B^qn-C _n-C _m-q,„.

In den bisher besprochenen Schaltungen der Bürsten kann sich der funkenbildende Kurzschlufsstrom nicht ausbilden, denn die Bürsten A und B sind entgegengesetzter Polarität, zwischen ihnen besteht die volle in den Ankerwindungen inducirte Spannung. In einem Zweige des Kurzschlufsstromkreises wirkt diese Spannung stets der in den kurzgeschlossenen Spulen inducirten Spannung entgegen, letztere kann daher nur auf die Vertheilung des Arbeitsstromes in den äufseren Widerständen einen Einflufs ausüben.

Bei mehrpoligen Motoren wird der Anker am besten mit Reihenschaltung ausgeführt, so dafs stets nur zwei mehrfache Bürsten erforderlich sind. Wird Parallelschaltung gewählt, so ■ dafs die Zahl der mehrfachen Bürsten gleich der Polzahl wird, so können die Einzelbürsten in vielfacher Weise unter einander verbunden werden, indem man von der Bedingung ausgeht, die Bürsten so zu verbinden, dafs ein Kurzschlufsstrom nicht entstehen kann, sondern dafs die in den kurzgeschlossenen Spulen des Ankers inducirten E. M. K. einander selbst entgegenwirken, oder dafs dieE.M.K. des Arbeitsstromes das Entstehen eines Kurzschlufsstromes verhindert.

Die hier beschriebenen Vorrichtungen können auch dazu dienen, um synchrone Motoren in Gang zu bringen, indem man auf dem Anker dieser Motoren aufser der kurzgeschlossenen Wickelung noch eine besondere Wickelung anbringt, die mit einem Stromwender und Bürsten in Verbindung steht, oder indem man nur eine Wickelung mit Stromwender und Bürsten verwendet, welche erst nach Inbetriebsetzung des Motors durch eine besondere Vorrichtung kurzgeschlossen wird.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von dem in der englischen Patentschrift Nr. 14664 v. J. 1893 beschriebenen Wechselstrommotor von A. Kingdon zunächst dadurch, dafs dieser Motor seiner Grundlage nach eine gewöhnliche Gleichstrommaschine mit untertheiltem Magnetfelde und mit in Reihe geschalteten Feld- und Ankerwindungen darstellt, während die vorliegende Erfindung nur auf einen Inductionsmotor anwendbar ist.

A. Kingdon verwendet zwar ebenfalls mehrfache Bürsten, er spaltet aber den »primären« Stromkreis des Motors in mehrere Zweige, indem er einen Stromwandler mit zwei oder mehreren secundären Wickelungen anwendet und diese mit dem Magnetfelde und mit ebenso viel Bürstenpaaren des Motors verbindet.

Die Einzelbürsten sind somit nicht durch Widerstände, sondern durch die Secundärspulen von Stromwandlern, welche gleichzeitig die Erregerspulen des Feldes sind, geschlossen.

Infolge dessen werden die einzelnen primären oder die Erregerstromkreise des Motors beständig unterbrochen und geschlossen, was zur Funkenbildung am Stromwender führen mufs.

In der vorliegenden Erfindung findet ein Unterbrechen irgend eines Theiles des primären Stromkreises nicht statt. Weder der

primäre Stromkreis noch die Feldmagnetwickelung "werden für die Verbindung der Bürsten unter einander in Anspruch genommen. Diese Schaltung allein ermöglicht es, die Bürsten entgegengesetzter Polarität durch Leiter oder einfache Widerstände zu verbinden, auf welche keine äufsere elektromotorische Kraft einwirkt.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Inductionsmotor für Wechselstrombetrieb, dessen Ankerwickelung nach Art von Gleichstrommaschinen mit den Stegen eines Stromwenders verbunden ist, gekennzeichnet durch zwei oder mehrere von einander isolirte Bürstenpaare, deren Bürsten entgegengesetzter Polarität unmittelbar oder durch einfache Widerstände verbunden sind, so dafs mehrere äufsere Stromkreise entstehen, wobei die Dicke der Isolation zwischen den Stromwenderstegen gröfser als die Dicke einer Einzelbürste ist, so dafs benachbarte Stege durch eine Einzelbürste nicht kurzgeschlossen werden können.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.