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Schaltanordnung zur Verminderung der Kommutatorabmessungen von Wechselstrom-
und Drehstrom-Kommutatormaschinen Die Abmessungen, das Gewicht, die Betriebssicherheit,
der Preis und die Unterhaltungskosten von Wechselstrom- und Drehstrom-Kommutatormaschinen,
insbesondere von solchen großer Leistung, hängen wesentlich von der Größe des Kommutators
ab. Es besteht daher ein technisches und wirtschaftliches Interesse, mit einem möglichst
kleinen Kommutator auszukommen. Bekanntlich werden die Kommutatorabmessungen bei
gegebener Maschinenleistung durch die Spannung zwischen den Kommutatorlamellen,
durch die zur Übertragung des Betriebsstromes notwendige Kontaktfläche der Kohlebürsten
und durch die mit Rücksicht auf die Kurzschlußstrombelastung der Kontakte zulässige
Bürstenbreite maßgebend bestimmt. Um die Kurzschlußströme unter den Bürsten zu vermindern,
sind Kohlebürsten entwickelt worden, die aus mehreren elektrisch getrennten Kohleschichten
bestehen und am Kopfende Dämpfungswiderstände besitzen. Die Wirkung derartiger Schichtbürsten
mit sogenanntem Widerstandskopf ist dadurch eng begrenzt, daß sich in der Bürste
wegen der störenden Verlustwärme nur verhältnismäßig kleine Widerstände unterbringen
lassen. Daher reichen Schichtbürsten mit Widerstandsköpfen nicht aus, um die Bürstenbreite
oder die Lamellenspannung so zu vergrößern, daß der Kommutator wesentlich verkleinert
werden kann.
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Zur stärkeren Dämpfung der Kurzschlußströme sind Schichtbürsten mit
getrennten Schichtableitungen
vorgeschlagen worden, die zu außerhalb
der Bürsten liegenden Ohmschen und induktiven Widerständen oder zu Wicklungen führen,
in denen eine Gegenspannung erzeugt wird. Abgesehen davon, daß der sichere Anschluß
der getrennten Zuleitungen an die dünnen Bürstenschichten erhebliche Schwierigkeiten
bereitet, sind die genannten Schaltanordnungen sämtlich mit dem Nachteil behaftet,
daß sie sehr störende Rückwirkungen auf die Kontaktverluste durch Arbeitsströme
verursachen können.
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Zur Erklärung dieses Vorgangs sei eine Schichtbürste gewählt, die
aus zwei elektrisch getrennten und mechanisch miteinander verbundenen Teilbürsten
besteht. Infolge des Kippens der Gesamtbürste in Drehrichtung, das bei allen Maschinen
insbesondere mit wechselnder Drehzahl oder Drehrichtung bei dem notwendigen Spiel
zwischen Bürste und Haltertasche stets vorhanden ist, hat die ablaufende Teilbürste
an ihrer -Lauffläche einen erheblich höheren Kontaktwiderstand als die anlaufende.
Die ablaufende Teilbürste darf daher nur mit einem Bruchteil des Arbeitsstromes
belastet werden, den die anlaufende Teilbürste zu übertragen vermag. Sind nun die
Teilbürsten an einen induktiven Widerstand, z. B. einen Stromteiler in symmetrischer
Schaltung, angeschlossen, der zur Unterdrückung hoher Kurzschlußströme ausreichend
bemessen ist, so erzwingt dieser eine vollkommen gleichmäßige Verteilung der Arbeitsströme
auf die Teilbürsten. Die Kontaktfläche der ablaufenden Teilbürste wird daher überlastet
und im Dauerbetrieb zerstört. Im verstärkten Maße tritt diese Erscheinung bei Verwendung
normaler Drosselspulen auf.
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Schließlich sind Vorschläge bekannt, die Kurzschlußströme weitgehend
zu begrenzen bzw. vollkommen dadurch zu verhindern, daß man die an einen Stromteiler
angeschlossenen Teilbürsten nicht breiter als eine Kommutatorlamelle macht und gleichzeitig
Sonderkommutatoren mit Wirk- und Blindlamellen verwendet. Die Unterdrückung schädlicher
Kurzschlußströme geschieht jedoch hier in einem noch viel stärkeren Maße auf Kosten
der Arbeitsstromkommutierung als bei den vorerwähnten Schaltungen, da die Arbeitsstrombelastung
jeder Teilbürste im Takt der Lamellenfrcquenz ständig zwischen Null und dem doppelten
Wert des Arbeitsstromes schwanken muß, der bei gleichmäßiger Stromverteilung auf
eine Teilbürste entfallen würde. Erschwerend kommt noch hinzu, daß die doppelte
Belastung jeweils in einem Zeitpunkt auftritt, wo die betreffende Teilbürste nur
mit ihrer halben Fläche Kontakt macht; daß ferner der Stromteiler infolge seiner
hohen Induktivität ein lichtbogenfreies Abschalten der Teilströme durch die Blindlamellen
verhindert und beim Abreißen der Lichtbogen zu einem Erzeuger schädlicher Überspannungen
wird. Da der Abschaltyorgang hier außer von der Drehzahl noch von anderen Faktoren
abhängig ist, die man durch einfache Mittel der Kompensation nicht beeinflussen
kann, läßt er sich praktisch nicht in einem für alle Betriebszustände ausreichenden
Maße verbessern. Abgesehen hiervon erfordern die Überdimensionierung der Kontaktflächen,
die mit Rücksicht auf die periodische Überlastung der Teilbürsten notwendig ist,
sowie die Ar.passrrg der Lamcllcnbreite an die aus mechanischen Gründen notwendige
Bürstenbreite und die Unterbringung der gleich breiten Blindlamellen so viel zusätzlichen
Platz, daß auf diesem Wege keine Verminderung der Kommutatorabmessungen neuzeitlicher
Maschinen zu erreichen ist.
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Die beschriebenem Mängel werden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß
man bei einer Vereinigung der Bürsten zu Gruppen, die über Stromteiler parallel
arbeiten, für eine jederzeit gleichmäßige Aufteilung der Arbeitsströme auf die Bürstengruppen
und für das Vorhandensein gleich großer Kontaktwiderstände in den Gruppen sorgt,
was durch folgende Maßnahmen geschieht: Die in Richtung des Kommutatorumfangs nebeneinanderliegenden
Kohlebürsten eines jeden Bürstenbolzens sind in elektrisch getrennten Bürstenhaltern
untergebracht und daher auch mechanisch voneinander getrennt. Sie können sich also
im Gegensatz zu den mechanisch zusammenhängenden Kohleplätten von Schichtbürsten
unabhängig voneinander bewegen, so daß sie im Mittel gleich große Kontaktwiderstände
besitzen. Hierdurch werden überhöhte Kontaktverluste durch Arbeitsströme vermieden,
wie sie beim Kippen von Schichtbürsten auftreten, die an induktive Vorwiderstände
angeschlossen sind.
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Um in diesem Zusammenhang zu erreichen, daß die z. B. unter dem Einfluß
von Reibschwingungen ständig schwankenden Kontaktwiderstände der einzelnen Bürsten
sich möglichst ausgleichen können, sind die Bürstenzweige gleichen Potentials sämtlicher
Bürstenhalter einer Polarität zu Gruppen vereinigt und an einen gemeinsamen Stromteiler
angeschlossen.
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Durch Verwendung eines Kommutators, der ausschließlich Wirklamellen
besitzt, wird ferner erreicht, daß die Arbeitsströme in den parallel geschalteten
Bürstenzweigen bei geeigneter Bemessung der Stromteiler nicht wie bei ähnlich geschalteten
Doppelbürsten auf Kommutatoren mit Blindlamellen ständig schwanken und im Takt der
Lamellenfrequenz unterbrochen werden müssen. Die Arbeitsströme haben hier im Gegenteil
praktisch die gleiche Größe, Kurvenform und Phasenlage, so daß sich die durch sie
erzeugten magnetischen Felder in den Stromteilerhälften in jedem Zeitpunkt aufheben
und daher keine ungünstigen Rückwirkungen auf die Arbeitsstromverluste an den Kontakten
sowie auf die Funkenbildung auftreten können.
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Schließlich muß dafür gesorgt werden, daß der Stromteiler keine Überspannungen
erzeugt, die auf die Lamellenspannung einwirken und die Kommutierung verschlechtern.
Derartige Überspannungen entstehen auch bei Kommutatoren ohne Blindlamellen z. B.
dann, wenn der Stromteiler bei der Überbrückung eines Kommutatorsteges durch zwei
parallel geschaltete Teilbürsten zeitweise kurzgeschlossen wird. Dieser Fall ist
bei Schichtbürsten mit hitzebeständiger Zwischenisolierung, deren mechanisch zusammenhängende
Kohleschichten mit einem induktiven Vorwiderstand verbunden sind, die Regel und
erfordert daher besondere Schutzmaßnahmen. Bei der Schaltanordnung nach der Erfindung
ergibt sich durch die Unterbringung der Teilbürsten bzw. Bürstengruppen in getrennten
Bürstenhaltertaschen zwangsläufig ein
solcher Abstand zwischen den
Bürsten, daß der Stromteiler zu keiner Zeit kurzgeschlossen wird.
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Die Schaltung ist für Vollbürsten und für solche Schichtbürsten verwendbar,
die innere Dämpfungswiderstände besitzen und sich daher wie Vollbürsten anschließen
lassen. Bezüglich der Bürstenbreite ist man nicht wie bei bisher bekannten Stromteilerschaltungen
<in die Breite der Kommutatorstege gebunden. Wählt man z. B. bei Maschinen mit
niedriger Lamellenspannung Bürsten der üblichen Breite in einer solchen Anordnung,
daß die normalerweise auf jedem Bürstenbolzen in Ankerachse hintereinanderliegenden
Bürsten jetzt zur Hälfte nebeneinander angebracht sind, so läßt sich die aktive
Kommutatorlänge auf die Hälfte verkürzen. Da man hier zwecks Einsparung von Kommutatorlänge
nicht mehr auf möglichst breite Bürsten angewiesen ist, gestattet die vorliegende
Schaltung ferner, die Bürsten so schmal zu wählen, wie <lies mit Rücksicht auf
ihre mechanischen Beanspruchungen angängig ist. Als Gewinn ergeben sich wegen der
kleineren Lamellenüberdeckung entweder eine bessere Kommutierung als im Normalfall
oder die Möglichkeit, die transformatorische EMK in den kommutierenden Ankerwindungen
zu steigern und damit den Ankerstrom, die Polzahl, die Länge und den Durchmesser
des Kommutators sowie das Leistungsgewicht der Maschine zrr vermindern.
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Schließlich lassen sich die genannten Maßnahmen derart kombinieren,
daß man sowohl eine Verkleinerung der Kommutatorabmessungen als auch eine Senkung
der Bürstenverluste auf Werte erhält, die der verminderten Kommutatorfläche angcpaßt
sind. Im allgemeinen kann hierbei auch der Aufwand für die Stromteiler in ein besonders
günstiges Verhältnis zum eingesparten :Maschinengewicht und zu den sonstigen Vorteilen
gebracht werden.
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Die grundsätzlichen Schaltanordnungen gehen aus den Abbildungen hervor.
Fig. i zeigt als Beispiel einen Repulsionsmotor mit doppeltem Bürstensatz, bei dem
zwei Bürsten bzw. Bürstengruppen je Bolzen nebeneinandergescbaltet sind, so daß
der Kommutator bis auf 5o°;', seiner sonst erforderlichen aktiven Länge verkürzt
werden kann. Die feststehenden Bürsten sind an die Stromteiler Tf und die verschiebbaren
an die Stromteiler T, angeschlossen. Da die Lamellenspannung in der Zone der feststehenden
Bürsten verhältnismäßig niedrige Werte erreicht, haben die Stromteiler TI kleinere
M'indungszahlen als die Stromteiler T". Gegebenenfalls können die Stromteiler der
feststehenden Bürsten durch Kurzschlußverbindung ersetzt werden, so daß nur die
beiden Stromteiler der beweglichen Bürsten übrigbleiben.
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Als weiteres Beispiel zeigt Fig. 2 die Schaltung eines ständergespeisten
Drehstromnebenschlußmotors mit einem Dreibürstensatz. Die dreiphasigen Ankerzuleitungen
führen über die Stromteiler T1 bis T3 jeweils zu zwei nebeneinander angeordneten
Bürstengruppen. Bei Drehstromkommutatormaschinen mit einem Sechsbürstensatz hat
die Schaltung sinngemäß sechs Stromteiler.
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Von der Polpaarzahl ist die Zahl der Stromteiler unabhängig, da parallel
geschalteten Bürstenbolzen ein gemeinsamer Stromteiler zugeordnet werden kann, wofür
Fig. 3 ein Beispiel gibt. Es handelt sich um die Schaltung eines sechspoligen Wechselstromreihenschlußmotors,
bei dem zwei Bürsten bzw. Bürstengruppen je Bolzen nebeneinander arbeiten. Die Bürsten
gleicher Polarität sind jeweils über Sammelringe S. bzw. Sb verbunden und an zwei
außerhalb der Maschine liegende Stromteiler To bzw. Tb angeschlossen.
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In Fig. 4 ist die Schaltung des Stromteilers T und der Sammelringe
S einer Polarität oder Phase für den Fall dargestellt, daß drei Bürsten bzw. Bürstengruppen
je Bolzen nebeneinander angeordnet werden sollen. Der Kommutator läßt sich hierbei
bis auf 33°/o seiner sonst üblichen aktiven Länge verkürzen, wenn man wegen der
verkleinerten Kommutatoroberfläche für eine verstärkte Lüftung zur Abführung der
unveränderten Verlustwärme sorgt. Das ist in vorliegendem Falle trotz erhöhter Temperaturdifferenzen
ohne schädliche Folgen möglich, da bekanntlich ein Kornmutator um so weniger zu
Deformierungen durch thermische Wechselbeanspruchungen neigt, je kürzer die Kommutatorstege
sind. In dem zum Stromteiler T in Fig. 4 führenden Mittelleiter ist ein Ausgleichswiderstand
R vorhanden, der die Größe des Ohmschen Widerstandes einer Wicklungshälfte des Stromteilers
hat. Hierdurch wird erreicht, daß sich der gesamte Arbeitsstrom auf die drei Sammelringleitungen
gleichmäßig verteilt.
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Der über die nebeneinander angeordneten Bürsten fließende Kurzschlußstrom
ist von der Spannung zwischen den Bürsten und von der Induktivität des Stromteilers
abhängig, der in diesem Falle als Drosselspule wirkt. Es ist erwünscht, mit einem
möglichst kleinen Stromteiler auszukommen und den Kurzschlußstrom trotzdem auf unschädliche
Werte zu begrenzen. Das kann geschehen, wenn man den Magnetisierungsstrom der Drosselspule,
der dann verhältnismäßig groß ist, in einer Schaltung nach Fig. 5 durch einen Kondensator
C kompensiert, der zweckmäßig an eine besondere Kompensationswicklung K auf der
Sekundärseite des Stromteilers T angeschlossen wird.
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Im Gegensatz zu bekannten Stromteilerschaltungen, bei denen ein Parallelkondensator
entweder zur Lichtbogenlöschung beim periodischen Abschalten der Arbeitsströme im
Takt der von der Drehzahl abhängigen Lamellenfrequenz oder zur Glättung der bei
Teilbürsten von Stegbreite auftretenden Oberwellen der gleichen Frequenz vorgeschlagen
wird, soll der Kondensator hier vorzugsweise die Grundwelle des Kurzschlußstromes
kompensieren. Ihre Frequenz ist von der Drehzahl unabhängig und verhältnismäßig
niedrig, weshalb der Kondensator im vorliegenden Falle eine wesentlich höhere Kapazität
erhalten muß als bei den vorerwähnten Schaltungen. Um zu verhindern daß er hierbei
eine unzulässige Vergrößerung der Oberwellen im Stromteilerkreis verursacht, wird
dem Kondensator C eine Dämpfungsdrosselspule D vorgeschaltet, deren Induktivität
auf die Kapazität des Kompensationskreises so abgestimmt ist, daß die über die Bürsten
fließenden Oberwellenströme gleichfalls auf unschädliche Werte begrenzt bleiben.
Durch den so beschaffenen Kompensationskreis wird gleichzeitig erreicht, daß sich
die Kontaktwiderstände der Bürsten in den verschiedenen Gruppen noch stärker angleichen
und daß im Stromteiler vom Kurzschlußstrom abhängige
Unsymmetrien
beseitigt werden. Damit trägt der Kompensationskreis zu einer Verbesserung der Arbeitsstromverteilung
und zu einer Vermeidung schädlicher Rückwirkungen wesentlich bei.
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Eine weitere Einsparung bei den Stromteilern kann erfolgen, wenn man
bei Wechselstrommaschinen die Stromteilerwicklungen To und T6 auf einem gemeinsamen
Eisenkern in der Schaltung nach Fig. 6 anordnet. Die Sammelringe So und S6 sind
hier mit den Stromteilerwicklungen T. und T6 so verbunden, daß sich deren magnetische
Felder, die sie als Drosselspulen zur Begrenzung von Kurzschlußströmen erzeugen,
addieren. Der aus der Wicklung K, dem Kondensator C und der Drosselspule D bestehende
Schwingungskreis mit der bereits beschriebenen Kompensationswirkung arbeitet für
die Sammelringgruppen beider Polaritäten gemeinsam.