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Einphasen-Kommutatormotor zum direkten Antrieb von Fahrzeugen Zum
direkten Antrieb von Fahrzeugen, die aus einem einphasigen Netz gespeist werden,
verwendet man Reihenschluß-Kommutatormotoren. Bei ihnen bereitet aber die Beherrschung
der transformatorischen Spannung zwischen Nachbarlamellen Schwierigkeiten. Um diese
Transformatorspannung herabzusetzen, hat man in vielen Ländern ein besonderes Bahnnetz
mit niedriger Frequenz (in Europa I62/3 Hz) geschaffen. In neuerer Zeit ist es gelungen,
Reihenschluß-Kommutatormotoren unmittelbar mit Industriefrequenz, z. B. 5o Hz, zu
betreiben, so daß ein Anschluß der Fahrleitungen an das allgemeine Landesversorgungsnetz
möglich wurde. Baut man hierbei diese sogenannten Direktmotoren nach der klassischen
Methode, so muß der Fuß pro Pol stark reduziert werden, da die Transformatorspannung,
wegen der mit Rücksicht auf die Funkenbildung im Anlauf und bei geringen Drehzahlen
ein gewisser Wert nicht überschritten werden darf, dem Produkt aus Fluß und Netzfrequenz
proportional ist. Als wirksamstes Mittel hat sich die Doppelparallelwicklung erwiesen,
bei der eine Windung der Ankerwicklung nicht an Nachbarlamellen angeschlossen ist,
sondern jeweils an die übernächsten Lamellen, so daß die Lamellenspannung nur der
Hälfte der Windungsspannung entspricht. Dadurch kann der Fluß pro Pol auf den doppelten
Wert gegenüber der klassischen Einfachparallelwicklung gebracht werden. Eine solche
Wicklung
ist in Fig. I schematisch und in Fig. I a im Axialschnitt
dargestellt. Diese Wicklung benötigt besondere Ausgleichverbinder. Betrachtet man
eine Windungsschleife a, so liegt die Ausgleichverbindung d einerseits an derjenigen
Lamelle 2, die zwischen den beiden Lamellen I und 3 sich befindet, an welche die
betrachtete Schleife a angeschlossen ist, und andererseits an demjenigen Wicklungskopf,
der zu dieser Schleife gehört und auf der dem Kommutator gegenüberliegenden Seite
liegt. Die Ausgleichverbinder d müssen unter dem Eisenblechpaket g hindurchgeführt
werden. Mit einer derartigen Anordnung kann aber nur eine zweifache Schleifenwicklung
gebaut werden, bei der a = 2p ist, wo 2a die Zahl der parallelen Zweige der Ankerwicklung
und 2p die Polzahl bedeutet.
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Gegenstand der Erfindung ist nunmehr ein Einphasen-Kommutatormotor
zum direkten Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere für Speisung mit Industriefrequenz,
bei welchen die erwähnten Schwierigkeiten mit der Transformatorspannung auf einfache
Weise behoben werden. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Motor
mit einer Mehrfachparallelwicklung von a > 2P ausgeführt wird und Ausgleichverbinder
aufweist, die durch mindestens eine Unterbrechung im Blechpaket hindurchgeführt
werden. Für die Unterbringung der Ausgleichverbinder wird vorzugsweise das Blechpaket
in axialer Richtung derart unterteilt, daß die die Trennstellen durchsetzenden Ausgleichverbinder
den mit der zugehörigen Windung der Hauptpolwicklung verketteten Fluß in gleiche
Teile unterteilen. Mit Rücksicht auf die Stromwendung, also auf die sogenannte Reaktanzspannung,
ist es gut, mindestens so viele Ausgleichverbinder anzuordnen, daß sämtliche parallelen
Zweige der Wicklung so starr wie möglich miteinander verkoppelt werden. Am wirksamsten
ist der Anschluß der Ausgleichverbinder unmittelbar am Kommutator. Konstruktive
oder andere Gründe können es aber auch als vorteilhaft erscheinen lassen, die Ausgleichverbinder
sämtliche oder teilweise auf der dem Kommutator gegenüberliegenden Seite anzuschließen,
bzw. Vergabelungen unter dem Blechpaket zu machen.
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Es ist für gewisse Wicklungen schon vorgeschlagen worden, das Eisenblechpaket
zu unterbrechen und Schaltverbindungen durch diese Unterbrechung hindurchzuführen.
Bei dem Erfindungsgegenstand wird aber die Unterbrechung des Eisenblechpakets zu
dem Zweck vorgesehen, Ausgleichverbindungen anordnen zu können, die die parallelen
Zweige einer Mehrfachparallelwicklung vor a > 2P miteinander koppeln, was durch
Verlegung der Ausgleichverbindungen in der Unterbrechung ermöglicht wird.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Die Fig. 2 zeigt schematisch eine Dreifachparallelwicklung (a = 3P),
während in Fig. 2a die gleiche Wicklung im Axialschnitt veranschaulicht ist. Verfolgt
man die Windungsschleife k, so erkennt man, daß sie an den Kommutatorlamellen I
und 4 angeschlossen ist. Zwischen den Lamellen I und 4 liegen noch die Lamellen
2 und 3. Die Lamellenspannung (d. h. die Spannung zwischen Nachbarlamellen) entspricht
also nur einem Drittel der Windungsspannung. Das Blechpaket ist in zwei Teile i
und h aufgespalten, deren axiale Längen sich vorzugsweise wie 2 : I verhalten. Durch
den Zwischenraum l sind die Ausgleichverbinder geführt, die einerseits an der Hauptwicklung,
andererseits am Kommutator angeschlossen sind. Die Ausgleichverbindungen gehen unter
dem Blechpaket, also zwischen diesem und der Welle, hindurch. Vom Stab m führt der
Ausgleichleiter o zur Lamelle 2 und vom Stab n der Ausgleichleiter P zur Lamelle
3. Die von den Stäben m-o bzw. o-k-p bzw. P-n gebildeten Schleifen umfassen je ein
Drittel desjenigen Flusses, der von den Stäben m-k-n umschlungen wird. Daraus geht
hervor, daß tatsächlich die Lamellenspannungen I-2 bzw. 2-3 bzw. 3-4 ein Drittel
der zwischen den Lamellen I und 4. liegenden Spannung betragen. Bei Wicklungen,
bei denen a/p eine ungerade Zahl ist wie hier a/P = 3, kann der elektrische Mittelpunkt
der Spulen, der im Wickelkopf liegt, nicht als Anzapfungspunkt für einen Ausgleichleiter
benutzt werden, worin ein Gegensatz zur Doppelparallelwicklung liegt.
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Bei einer Mehrfachparallelwicklung liegen die Spannungspotentiale
der parallelen Zweige gegeneinander nicht ohne weiteres fest. Man kann eine solche
Wicklung als einfach geschlossene Wicklung bauen. Bei dieser sind die Potentiale
aller Lamellen festgelegt. Dadurch kann selbsttätig eine korrekte Spannungsverteilung
am Kommutator erzielt werden, ohne daß man auf Ausgleichverbindungen, wie sie eben
beschrieben worden sind, angewiesen wäre. Verfolgt man aber den Vorgang der Stromwendung
und untersucht dabei insbesondere die Stromänderungen, die auftreten, wenn der Strom,
der einer Lamelle zugeführt wird, von der Nachbarlamelle übernommen werden soll,
so wird erkannt, daß der Strom in sehr vielen Windungen gewendet werden muß, wodurch
eine hohe Reaktanzspannung entsteht. Die einfach geschlossene Wicklung ohne Ausgleichverbinder
müßte also bei Belastung versagen. Diese Schwierigkeit wird durch die beschriebenen
Ausgleichverbinder überwunden, weil durch sie Nachbarlamellen direkt verkoppelt
werden, so daß für die Überführung des Stromes von einer Lamelle auf die folgende
der Strom nur auf einem sehr kurzem Weg kommutiert werden muß. Es ist also außerordentlich
wichtig, alle Nachbarlamellen durch Ausgleichverbinder so innig wie möglich miteinander
zu verkoppeln. Immerhin ist auch ein Kompromiß möglich, wobei im Rahmen des Erträglichen
Ausgleichverbinder weggelassen oder zusammengefaßt werden, wie dies z. B. mit Hilfe
der normalen Ausgleichverbinder, die auf einer Seite des Blechpaketes oder eventuell
auf beiden Seiten desselben potentialgleiche Punkte (im Abstand von 36o° e1.) miteinander
verbinden, möglich ist. Es wird darauf hingewiesen, daß nicht nur eine möglichst
innige Verkoppelung von Nachbarlamellen von großem Nutzen . ist, sondern auch eine
möglichst gute Zusammenschaltung von potentialgleichen Punkten auf einer oder auf
beiden Wicklungsseiten mittels normal üblicher Ausgleichleiter. Es werden also am
besten alle Lamellen gleichen Potentials durch solche Leitungen verbunden. Statt
dessen können die Ausgleichverbinder,
wenn auch nicht mit gleich
guter Wirkung, auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet werden. Am wirksamsten
ist eine Anordnung von Ausgleichverbindern auf beiden Seiten. Immerhin wird man
die Zahl und Lage der Ausgleichleiter so wählen, daß sie einerseits den Bau der
Maschine nicht zu kompliziert machen, konstruktiv und wirtschaftlich tragbar bleiben
und die Dimensionierung des Motors nicht schädlich beeinflussen, aber andererseits
noch genügend wirksam sind.
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Die Fig. 3 und 3 a zeigen in schematischer Weise bzw. im Axialschnitt
ein Ausführungsbeispiel für eine Vierfachparallelwicklung (a = 4P), wobei die gleichen
Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig.2 bedeuten. Das Eisenblechpaket ist
hier in der Mitte oder etwa in der Mitte der axialen Länge unterteilt. Bei einer
solchen Wicklung, bei der a/p eine gerade Zahl ist, hier 4, wird auch der elektrische
Mittelpunkt der Spulen, der im Wickelkopf liegt, zum Anschluß der Ausgleichleitung
r herangezogen.
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Man braucht die Stäbe der Hauptwicklung nicht im Zwischenraum des
Blechpaketes anzuzapfen. Man kann die Ausgleichleiter auch sämtlich oder teilweise
auf einer Seite des Blechpaketes anschließen und, soweit erforderlich, gemeinsam
mit der Hauptwicklung durch Nuten des Blechpaketes führen. Fig. 4 zeigt eine Vierfachparallelwicklung,
bei der zwar die mittlere Ausgleichleitung r an der Spulenmitte liegt, die anderen
Ausgleichleitungen o, P jedoch unmittelbar am Kommutator angeschlossen sind.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind sämtliche Ausgleichverbinder
an der Spulenmitte angeschlossen. In Fig. 5a dagegen sind die Ausgleichverbinder
teilweise nach Fig. 4 (Ausgleichverbinder o) und teilweise nach Fig. 5 (Ausgleichverbinder
p) angeschlossen, wobei sich der Vorteil ergibt, daß die Nuten in beiden Teilen
h, I des Belchpaketes gleichmäßig mit Hauptwicklung und Ausgleichleitern gefüllt
sind. In Fig. 6 sind sämtliche Ausgleichleitungen o, P, r am Kommutator angebracht,
so daß die Hauptwicklung k aus vollen Spulen ohne Anzapf- oder Lötstellen vom einen
Spulenende zum anderen besteht.
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Die Ausgleichverbinder müssen nicht unbedingt auf der Kommutatorseite
angeschlossen sein. Man kann dafür auch die gegenüberliegende Seite heranziehen,
und zwar für alle Ausgleichverbinder oder einen Teil derselben. Schließlich kann
man sie teils auf der einen, teils auf der anderen Seite anschließen. Diese Ausführung
läßt sich kombinieren mit der Möglichkeit, Lötstellen einzusparen, und zwar durch
entsprechende Verlegung von Ausgleichverbindern in Nuten am Außendurchmesser. Als
Beispiel zeigt Fig.7 eine Vierfachparallelwicklung, bei der die Ausgleichverbinder
o, P, r vollständig unter dem Blechpaket hindurchgeführt werden und der Anschluß
auf der dem Kommutator gegenüberliegenden Seite vorgenommen ist. Die Fig. 8 zeigt
eine Abwandlung dieser Anordnung mit Unterdrückung je einer Lötstelle für alle Ausgleichleitungen;
dafür müssen die Ausgleichverbinder teilweise in die Nuten der Hauptwicklung verlegt
werden. In den Fig. 7 und 8 sind die Lamellen mit II, 12, 13 usw. bezeichnet, da
die Ausgleichverbinder o, P, r auf andere Weise gegenüber der Haupt wicklung angeschlossen
werden müssen, als dies bei den bereits beschriebenen Ausführungsformen der Fall
war.
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Die Ausgleichverbinder müssen auf jeden Fall auf einem Teil ihrer
Länge unter dem Eisenblechpaket hindurchgeführt werden. Es ist daher zweckmäßig,
sie möglichst induktionsfrei zu machen. Insbesondere soll ihre Streuinduktivität
und ihre Zeitkonstante für die Stromwendung möglichst klein gehalten werden. Es
ist daher darauf zu achten, daß in ihnen die Ströme von ungleichnamigen Polen sich
so gut wie möglich aufheben. Zu diesem Zweck kann man Ausgleichverbindungen, die
zu je einem Polpaar oder einem Vielfachen von Polpaaren gehören, bündeln und durch
je eine gemeinsame Öffnung zwischen Blechpaket und Welle führen. Um einen ungestörten
Übergang von einem Bündel zu einem folgenden zu erleichtern, ist es zweckmäßig,
Ausgleichverbinder, die dem Rande eines Bündels angehören, auch durch die benachbarte
Öffnung mit dem anderen Bündel zusammen, d. h. doppelt zu führen, so daß Ausgleichleitungen,
die dem Ende eines Bündels zugeordnet sind, parallel geschaltet sind zu solchen,
die dem Anfang des folgenden Bündels angehören. Weiterhin wird mit Vorteil der Widerstand
des magnetischen Flusses, der sich um eine solche Öffnung herum ausbilden kann,
vergrößert, z. B. durch Zwischenschaltung einer magnetischen Isolation zwischen
Blechpaket und Welle. Damit sich die Ströme innerhalb eines Bündels von Ausgleichleitungen
möglichst gut aufheben, macht man zweckmäßig
mittels passender Wahl der Zahl der Nuten pro Pol und der Zahl der Leiter pro Nut
zu einer ganzen Zahl (K = Lamellenzahl).
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es einerseits möglich, bei
Bahnmotoren für niedrige Frequenz von z. B. z62/,; oder 25 Hz den Fluß pro Pol zu
erhöhen. Dadurch kann in einem einzigen Motor eine viel größere Leistung untergebracht
werden. Seine Polzahl, der Durchmesser und das -Gewicht werden kleiner. Der Motor
wird billiger und die Lokomotive leichter, bzw. es können Lokomotiven größerer Leistung
gebaut werden.
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Andererseits ist die Erfindung insbesondere für den Bau von Direktmotoren
für Industriefrequenz (z. B. 5o bzw. 6o Hz) von Bedeutung. Die Erhöhung der Frequenz
bringt keine Schwierigkeiten mehr. Es können sogar große Leistungen bewältigt werden,
ohne daß eine unangenehm große Polzahl gewählt werden muß. Auf die große volkswirtschaftliche
Bedeutung der Elektrifizierung mit Industriefrequenz braucht eigentlich nicht hingewiesen
zu werden: Fortfall eigener Bahnnetze, Vereinfachung der Energieverteilung, erhöhte
Ökonomie im Energiehaushalt usw. Selbst die schwersten Betriebsbedingungen können
durch die neue Bauart erfüllt werden, z. B. schwere Anläufe, besonders auf einer
Steilrampe, Dienst auf einer gebirgigen Strecke, Verkehr mit häufigem Anhalt, schwerer
Güterzugsbetrieb, lange Fahrten mit niedriger Geschwindigkeit usw.
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Die erfindungsgemäße Anordnung bringt erhebliche Vorteile hinsichtlich
der Kommutation. Die Reaktanzspannung wird wesentlich herabgesetzt. Außerdem entsteht
eine erhöhte Sicherheit gegen Rundfeuer.
Die Vorteile hinsichtlich
der Transformatorspannung sind offensichtlich. Es sind aber auch zusätzliche, an
sich bekannte Maßnahmen zur Bekämpfung der Transformatorspannung und zur Verbesserung
der Kommutation möglich, wie z. B. Widerstandsverbinder. Diese können zwischen Kommutator
und Wicklung angeordnet werden, wobei der Anschluß an Wickelköpfe auf der Kommutatorseite
oder auf der gegenüberliegenden Seite erfolgen kann. Auch die Ausgleichverbinder
selbst können mit erhöhtem Widerstand ausgeführt werden.
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Die Hauptwicklung kann z. B. in an sich bekannter Weise als Latourwicklung
gebaut werden, wobei je zwei Spulen verschiedener Sehnung parallel liegen, so daß
der gewendete Strom auf verschiedene Nuten verteilt wird. Man kann auch eine an
sich bekannte Froschbein-Wicklung vorsehen, um normale Ausgleichverbinder zu sparen.
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Sandwich- oder Spreiz-Kohlebürsten verringern bekanntlich den auf
die Transformatorspannung zurückgehenden Bürstenkurzschlußstrom und verbessern die
mechanischen Bedingungen der Stromführung. Ferner können bei Verwendung von Spaltkohlen
in bekannter Weise zwischen die beiden Hälften der Kohlen Stromteiler-Drosselspulen
eingeschaltet werden, die einerseits einen induktiven Widerstand gegenüber der Transformatorspannung
darstellen, andererseits eine gleichmäßige Stromverteilung auf die Bürstenhälften
erzwingen. Über diese Drosselspulen kann man auch transformatorisch eine Gegenspannung
gegen die Transformatorspannung einführen.
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Bei nicht zu kleiner Geschwindigkeit -wird man selbstverständlich
die Transformatorspannung über die Wendepole mehr oder weniger aufheben, und zwar
entweder durch bekannte Wendepol-Shunte, die man auch mit induktiven oder kapazitiven
Widerständen kombinieren bzw. stufenweise je nach Geschwindigkeit kurzschließen
kann. Auch eine andere Erregung der Wendepole, z. B. im Nebenschluß vom Lokomotivtransformator
aus, kann nützlich sein.