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Mehrpolige Gleichstrommaschine, bei welcher der Hauptfluß mit Hilfe
eines Ausgleichstromes zwischen Bürsten gleicher Polarität erzeugt wird Die Erfindung
bezieht sich auf mehrpolige Gleichstrommaschinen, bei welchen der Hauptfluß mit
Hilfe eines durch eine Störung des magnetischen Gleichgewichts zwischen Polen gleicher
Polarität hervorgerufenen Stromes zwischen Bürsten gleicher Polarität erregt wird.
Es ist bekannt, daß ein solcher Ausgleichstrom eine Ankerrückwirkung zur Folge hat,
deren Achse, physikalisch gesehen, in Gegenrichtung zur Achse des die Störung des
magnetischen Gleichgewichts verursachenden Feldes steht.
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Es sind Maschinen der Rototrol-Bauart bekannt, bei denen eine der
Polzahl der Maschine entsprechende mehrpolige Erregung dadurch erreicht wird, daß
die durch eine Polachserregung bedingten Ausgleichströme über auf alle Pole verteilte
Feldwicklungen geleitet werden. Die durch diese Ausgleichströme bedingten Ankerrückwirkungsfelder,
welche die Amperewindungen des Steuerstromes aufheben, werden bei diesen bekannten
Maschinen durch auf beiden Polen an beiden Enden der Ankerrückwirkungsfeldachse
angeordnete, gegensinnig zum Ankerfeld wirkende Kompensationsspulen bzw. durch magnetisch
unterschiedlich ausgeführte, eine Feldkomponente in Gegenrichtung zum Ankerfeld
liefernde Normalerregerspulen kompensiert, welche ebenfalls auf beiden Polen der
betreffenden Polachse wirksam sind.
Es wurde nun erkannt, daß es
möglich ist, die entmagnetisierende Wirkung der Ankerrückwirkungsfelder zu unterdrücken,
ohne daß es dazu stets erforderlich ist, diese Felder systematisch zu neutralisieren,
und daß sie vorteilhafterweise dazu benutzt werden können, die Erregung der vier
Pole zu unterstützen.
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Die Erfindung läßt sich ganz allgemein bei solchen mehrpoligen Gleichstrommaschinen
anwenden, bei welchen der Hauptfluß mit Hilfe eines durch eine Störung des magnetischen
Gleichgewichts zwischen Polen gleicher Polarität hervorgerufenen Ausgleichstromes
zwischen Bürsten gleicher Polarität erzeugt wird, wobei die magnetische Achse der
Ankerrückwirkung dieses Ausgleichstromes in Gegenrichtung zur magnetischen Achse
des die Störung des magnetischen Gleichgewichts bewirkenden Feldes steht.
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Eine mehrpolige Gleichstrommaschine nach der Eründung der oben beschriebenen
Art ist nun dadurch gekennzeichnet, daß auf einem an einem Ende der magnetischen
Achse dieser Ankerrückwirkung liegenden Pol eine durch diesen Ausgleichstrom erregte
Kompensationserregerwicklung vorgesehen ist, ,w°Iche eine der Ankerrückwirkung im
wesentlichen entgegengesetzt gleiche magnetische Spannung verursacht, wodurch unter
Beseitigung der Ankerrückwirkung auf das die Störung des magnetischen Gleichgewichts
bewirkende Feld eine der Polzahl der Gleichstrommaschine entsprechende mehrpolige
Hauptflußverteilung erzeugt wird.
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Bei einer Maschine der beschriebenen Art mit vier Polen und vier Bürsten,
bei der die den Polen einer bestimmten Polarität zugeordneten Primärbürsten miteinander
leitend verbunden sind, während die den Polen der anderen Polarität zugeordneten
Sekundärbürsten über einen inneren Stromkreis verbunden sind, der von dem sekundären
Ausgleichstrom durchflossen ist, welcher durch eine Störung des magnetischen Gleichgewichts
der Pole der anderen Polarität erzeugt wird, wird die Erfindung vorzugsweise in
der Weise ausgeführt, daß die vom sekundären Ausgleichstrom erregte Kompensationserregerwicklung
auf einem der Pole gleicher Polarität in der magnetischen Achse der durch den sekundären
Ausgleichstrom bedingten Ankerrückwirkung in der Weise angeordnet ist, daß die sekundäre
Ankerrückwirkung ausgeglichen wird, um einen vierpoligen Hauptfluß in der Maschine
zu erzeugen, wobei die Ausgangsklemmen der Maschine einerseits an eine Zwischenanzapfung
dieser Kompensationserregerwicklung und andererseits an die Kurzschlußverbindung
zwischen den Primärbürsten angeschlossen sind.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung einer mehrpoligen Gleichstrommaschine
der beschriebenen Art wird mit Hilfe nur einer auf lediglich einem Pol der gleichgewichtsgestörten
Polachse angeordneten Wicklung durch Umleiten der von den entgegengesetzt wirkenden
magnetischen Spannungen getriebenen Flüsse, z. B. auf die in den senkrecht zu dieser
Achse liegenden Polen im vierpoligen System, bei gleichzeitiger Aufhebung des Einflusses
der Ankerrückwirkung auf das das magnetische Gleichgewicht störende Feld eine der
Polzahl der Maschine entsprechende mehrpolige Erregung auch ohne zusätzliche, auf
den einzelnen Polen verteilt angeordnete Erregerspulen erzielt. Hierdurch ergibt
sich eine merkliche Verminderung des Wicklungswiderstandes und der Sperrigkeit der
Feldmagnete und eine wesentliche Vereinfachung der Anschlüsse.
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Die in den Ansprüchen 3 bis 5 gekennzeichneten Merkmale stellen vorteilhafte
Weiterbildungen der Gleichstrommaschine nach der Erfindung durch Anwendung von Maßnahmen
dar, die an sich in anderem Zusammenhang bereits bekannt sind.
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Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Abb. 1 zeigt das Schaltbild einer Maschine gemäß der Erfindung; Abb.
2 zeigt die gleiche Maschine mit einigen Verbesserungen. Die Erfindung wird in Anwendung
auf eine vierpolige Maschine gezeigt, wobei hier jedoch zu erwähnen ist, daß sie
auch auf Maschinen mit einer anderen geradzahligen Polzahl, insbesondere mit einem
Vielfachen von 4, anwendbar ist.
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Wie in Abb. 1 gezeigt, besteht die Maschine aus einem Ständer 1 mit
vier normalen Polen, deren Achsen mit P, Q, R, S bezeichnet sind, und einem
Anker 2 mit einer mit einem Kommutator verbundenen vierpoligen Wicklung ohne Schrittverkürzung.
Die Stromrichtung in den Leitern der Maschine ist durch Kreise (O) oder Kreuze (-E-)
gekennzeichnet, die jeweils anzeigen, ob der Strom aus der Zeichnungsebene "heraustritt«
oder in sie »eintritt«.
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Mit dem Kommutator arbeiten vier in ihrer normalen Stromwendelage
befindliche Bürsten 3, 4, 5, 6 zusammen, deren Lage in der Zeichnung so dargestellt
ist, wie sie sich bei der ausgeführten Maschine ergibt. Die Bürsten 3 und 4 einer
gegebenen Polarität, die im folgenden als »Primärbürsten« bezeichnet werden sollen,
sind durch einen Leiter 7 verbunden, welcher zur Klemme 8 der Maschine führt, während
die Bürsten 5 und 6 von entgegengesetzter Polarität, die »Sekundärbürsten«, durch
den inneren Stromkreis g miteinander in Verbindung stehen, der an die Klemme 1o
der Maschine angeschlossen ist. Dieser innere, im nachstehenden näher beschriebene
Stromkreis ist normalerweise von einem Strom durchflossen, der dazu dient, den Hauptfluß
der Maschine zu erzeugen. Um diesen Strom zu erzeugen, wird eine Störung des magnetischen
Gleichgewichts zwischen den Polen Q und S, die normalerweise die gleiche Polarität
haben, hervorgerufen oder, was auf das gleiche hinauskommt, längs der Achse Q=S
die Komponente eines Steuerflusses, z. B. mit Hilfe von (nicht dargestellten) auf
mindestens einem der Pole Q und S angeordneten Wicklungen erzeugt. Die Störung des
magnetischen Gleichgewichts zwischen den Polen Q und S kann auch indirekt wie bei
der in der Zeichnung dargestellten Maschine dadurch erreicht werden, daß längs der
Achse P-R, beispielsweise mit Hilfe einer z. B. auf dem Pol P angeordneten Steuerwicklung
11, eine Komponente des Steuerflusses erzeugt wird.
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Durch Speisung der Wicklung 11 von einer an deren Klemmen 12 und 13
angeschlossenen Stromquelle
wird längs der Achse P-R eine Komponente
des Steuerflusses erzeugt, der im Stromkreis 7 der Primärbürsten einen primären
Strom Il induziert, dessen resultierende Verteilung im Anker durch die Reihe a mit
den Zeichen (-E-) und (0) angedeutet ist. Unter dem Einfluß des Stromes Il erzeugt
der Anker eine primäre Ankerrückwirkung senkrecht zur Achskomponente P-R des durch
die Wicklung zz erzeugten Steuerflusses. Diese primäre Ankerrückwirkung ruft längs
der Achse Q-S eine Flußkomponente hervor, die ihrerseits im Stromkreis 9 der Sekundärbürsten
5 und 6 einen sekundären Strom I2 induziert, dessen Verteilung im Anker durch die
Reihe b mit den Zeichen (-f-) und (0) gekennzeichnet ist. Unter dem Einfluß des
Stromes 12 erzeugt der Anker eine sekundäre Ankerrückwirkung, die zur primären Ankerrückwirkung
senkrecht steht und der in Richtung R-P wirkenden Komponente des Steuerflusses entgegen
gerichtet ist.
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Für das Erregen des Hauptflusses mit Hilfe des Stromes I2 werden einerseits
die Amperewindungen der sekundären Ankerrückwirkung zur Magnetisierung eines in
der Achse P-R liegenden Poles, beispielsweise des Poles P, verwendet, während der
Pol R mittels einer geeigneten, auf diesem befindlichen und durch den sekundären
Strom I, erregten Wicklung 14 so magnetisiert wird, daß er die gleiche Polarität
wie der Pol P hat. Diese als Kompensationserregerwicklung bezeichnete Wicklung 1q.
ist in den Stromkreis 9 der Sekundärbürsten 5 und 6 eingeschaltet und so bemessen,
daß unter dem Einfluß des Stroms I2 Amperewindungen erzeugt werden, die denen der
sekundären, also # in der P-R-Achse verlaufenden Ankerrückwirkung im wesentlichen
gleich und entgegengesetzt gerichtet sind.
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Zu diesem Zweck hat die Wicklung 1q. eine Windungszahl, die gleich
der Zahl der durch den Strom I2 erregten Ankerwindungen ist, d. h.
wobei N die Gesamtzahl der Ankerstäbe ist.
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Auf diese Weise wird der Pol R durch
- I2 Amperewindungen erregt, welche gleich der Differenz zwischen den
- I2 Amperewindungen der Spule 1q und den durch die rechts der Achse Q-S befindliche
Ankerhälfte erzeugten
- I, Ankeramperewindungen ist, während der Pol P durch
- I2 Ankeramperewindungen erregt wird, die durch die links der Achse Q-S befindliche
Ankerhälfte erzeugt werden.
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Hierdurch erhält man in der Maschine vierpoligen Hauptfluß mit aufeinanderfolgenden
Polen verschiedener Polarität, was zur Folge hat, daß zwischen den Bürsten 3, q.
einerseits und den Bürsten 5, 6 andererseits eine elektromotorische Kraft induziert
wird, die an den Klemmen 8, =o der Maschine in Erscheinung tritt. Die Maschine arbeitet
als Generator, wenn an die Klemmen 8 und zo ein Verbraucherkreis angeschlossen wird;
sie gibt einen Belastungsstrom I3 ab, dessen Verteilung im Anker durch die Reihe
c mit (+) und (0) bezeichnet ist. Im vorliegenden Beispiel gibt die Bürste 5 einen
Strom
- -I2 und die Bürste 6 einen Strom +1Z
ab. Wenn man die Amperewindungen der Wicklung 1q. vom Belastungsstrom I3 unabhängig
machen will, genügt es, die Klemme zo des Stromkreiess 9 über eine Zwischenanzapfung
15 mit der Wicklung 1q. zu verbinden, und zwar in der Weise, daß die sich dadurch
ergebenden Abschnitte der Wicklung gleiche Windungszahlen haben. Wenn man diesen
Wicklungsabschnitten verschiedene Windungszahlen gibt, kann man längs der Achse
P-R durch den Strom I3 additive oder subtraktive Kompoundierung erzielen. Die gleiche
Wirkung kann durch Parallelschaltung des einen oder des anderen Wicklungsabschnittes
mit geeigneten Widerständen erreicht werden.
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Der Hauptfluß der Maschine kann durch in den Stromkreis 9 der Bürsten
5 und 6 eingeschaltete Hilfswicklungen verstärkt werden. Diese Wicklungen können
paarweise auf den Polen Q und S angeordnet werden, wie bei 16, 17 und 18, z9 gezeigt.
Um die Erregung der Pole Q und S vom Belastungsstrom unabhängig zu machen, genügt
es, die Wicklungen eines jeden Paares in jeden der die Bürsten 5 und 6 mit der Wicklung
1q. verbindenden Zweige zu schalten.
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Wenn die Maschine als Motor arbeiten soll, werden normale (nicht gezeigte)
Erregerwicklungen vorgesehen, beispielsweise Nebenschlußwicklungen, in der Weise,
daß in der Maschine ein Anfangsfluß erzielt wird, wobei der Anker von einer an die
Klemmen 8 und zo angeschlossenen Stromquelle gespeist wird. Die Drehzahl des Motors
kann innerhalb weiter Grenzen durch Überlagerung des Anfangsflusses mit einem veränderlichen
Fluß verändert werden, der in der im vorangehenden beschriebenen Weise erzeugt wird.
Hierdurch erfährt die dem Motor zugeführte Steuergröße (Steuerspannung) wie bei
dem beschriebenen Generator eine beachtsame Verstärkung.
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Wie bei den bekannten Gleichstromgeneratoren erzeugt der Belastungsstrom
eine Verzerrung des Hauptfeldes, die für den einwandfreien Betrieb der Maschine
schädlich sein kann. Um dies zu vermeiden, kann die Maschine mit Kompensationswicklungen,
wie bei 2o, 2z, 22 und 23 in Abb. 2 gezeigt, versehen werden, die auf der Innenfläche
der Pole in dort vorgesehene Nuten aufgeteilt werden. Diese Wicklungen können statt
durch den Belastungsstrom I3 allein auch durch diesen und durch den Strom I2 erregt
werden, wodurch mit derselben Wicklung durch den Strom 13 die gewünschte Kompensationswirkung
und durch den Strom I2 der Erregung des Hauptflusses eine Verstärkungswirkung erreicht
werden kann. Hierfür sind die Wicklungen 2o und 21 in den die Bürste 5 und die Wicklung
1q. verbindenden Zweig und die Wicklungen 22 und 23 in den die Bürste 6 und die
Wicklung 1q. verbindenden Zweig gelegt. Darüber hinaus sind die Wicklungen 21 und
22 anstatt zwischen den benachbarten Polhörnern zweier aneinandergrenzender Pole
so angeordnet, daß sie sich auf dem Pol R kreuzen. Der Richtungssinn der Ströme
in den Kompensationswicklungen ist durch die Zeichen (+) und (0) dargestellt, die
sich für den Strom I3 auf dem Nutengrund für den Strom I2 am äußeren Ende der Nuten
befinden.
Unter diesen Umständen halten die auf den Winkelbereich
Y-Z verteilten Kompensationsamperewindungen den Ankeramperewindungen, die durch
den Strom -
-E- I2 erzeugt werden, einander das Gleichgewicht, ebenso wie die auf den Winkelbereich
X-T verteilten Kompensationsamperewindungen den durch den Strom
-I, erzeugten Ankeramperewindungen das Gleichgewicht halten. Im Winkelbereich X-Z
halten die durch den Strom I3 bedingten Amperewindungen den entsprechenden Ankeramperewindungen
das Gleichgewicht, während die Ankeramperewindungen, die der Strom I2 hervorruft,
die Magnetisierung der Pole Q, R, S um einen geringen Betrag verstärken. Im Winkelbereich
Y-T schließlich gleichen die durch den Strom 13 erzeugten Kompensationsamperewindungen
die entsprechenden Ankeramperewindungen aus, während die vom Strom 12 hervorgerufenen
Kompensationsamperewindungen infolge der auf dem Pol R befindlichen Kompensationswicklungen
eine Erregung hervorrufen, die derjenigen der Wicklung 14 gleichgerichtet ist, so
daß die Zahl der Windungen der Wicklung-14 entsprechend vermindert werden kann.