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Verstärkermaschine mit zweistufiger Verstärkung Für verschiedene Zwecke
ist es bekanntgeworden, Verstärkermaschinen zu verwenden, das sind elektrische Generatoren,
bei welchen eine geringe Veränderung des Stromes in einer Erregerwicklung eine beträchtliche
Änderung des Stromes herbeiführt, der vom Anker über Schleifbürsten an einen äußeren
Stromkreis abgegeben wird. Um eine möglichst große Erhöhung des Verstärkungsgrades
oder des Verhältnisses der Änderung des Stromes im Anker gegenüber der Änderung
des ihn erzeugenden Erregerstromes zu erhalten, ist die Verstärkermaschine gemäß
einem bekannten Vorschlag so ausgebildet, daß sie zwei Verstärkerstufen besitzt
und daß die Elemente eines Hauptgenerators und seines Erregers als Hilfsmaschine
nebeneinander mit einem gemeinsamen Anker in einem Gehäuse untergebracht sind. Um
beiden nebeneinander im Maschinengehäuse angeordneten Elementen die Erfüllung ihrer
Funktion ohne gegenseitige Beeinflussung zu ermöglichen, ist es bekannt, die Erregungen
des Hauptgenerators und die der Hilfserregermaschine bei einer zweipoligen Maschine
zwei zueinander rechtwinkligen Magnetkreisen zuzuordnen. Diese Maschine besitzt
pro Polpaar Hauptbürsten zum Sammeln des Stromes des Hauptgenerators und Hilfsbürsten,
die rechtwinklig zu den ersteren liegen, zum Schließen des Stromkreises der Hilfsmaschine.
In einer oft verwendeten Ausführung sind die Hilfsbürsten kurzgeschlossen, und es
wird das von der Ankerrückwirkung der Hilfsmaschine
erzeugte Feld
zum Erregen des Feldes der Hauptmaschine ausgenutzt. Diese Anordnung besitzt den
Nachteil, daß die Hilfsbürsten gegenüber den Hauptpolen angeordnet sind, d. h.,
sie liegen im vollen Feld der letzteren, was Maßnahmen bedingt, um eine ausreichende
Kommutation zu sichern. Oft ist es notwendig, die Hauptpole zu unterteilen, um zwischen
den Teilen der Hauptpole die Kommutierungspole der Hilfsbürsten unterbringen zu
können. Diese Komplikation scheint indessen im Hinblick auf die mehr untergeordnete
Rolle der Hilfsbürsten nicht gerechtfertigt.
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Ferner sind auch Zwischenbürstenmaschinen bekannt, die als Verstärkermaschinen
ausgeführt werden, welche mittels Steuerwicklungen ausgesteuert werden. Diese Steuerwicklungen
werden in der magnetischen Achse senkrecht zur Achse der Ankerkurzschlußdurchflutung
bzw. senkrecht zur Hauptfeldachse angeordnet. Schließlich gibt es auch noch Gleichstromerzeuger
mit Spannungsregelung durch eine Querfelderregung, also Querfeldverstärkermaschinen,
bei welchen bewickelte Wendepole vorgesehen werden.
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Gegenstand der Erfindung ist nunmehr eine Verstärkermaschine mit bewickelten,
nicht unterteilten Haupt- und Steuerpolen sowie mit bewickelten Wendepolen zur zweistufigen
Verstärkung einer der Steuerpolwicklung zugeführten Eingangsleistung mittels Ankerquerfelderregung,
wobei die Art der Abnahme des Nutzstromes und der Ouererregung auf sehr vorteilhafte
Weise, und zwar unter Vermeidung der genannten Mängel der bisherigen Maschinen erfolgen
soll. Gemäß der Erfindung wird dies durch zwei Bürsten je Maschinenpol erreicht,
welche auf dem Stromwender einen symmetrisch unter jedem Steuerpol liegenden, vom
Feld der Hauptpole nicht induzierten Ankerwicklungsabschnitt abgreifen, wobei die
Bürsten zur Abnahme des Nutzstromes parallel geschaltet sind und gleichzeitig den
von der Ankerspannung zwischen den beiden Bürsten über die Parallelschaltverbindung
getriebenen Querstrom zur Erregung des Ankerquerfeldes in Richtung der magnetischen
Achse der Hauptpole führen.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Verstärkermaschine gemäß der
Erfindung dient die Fig. I, welche schematisch ein Ausführungsbeispiel einer zweipoligen
Maschine zeigt. In der Figur sind die für das Verständnis der Erfindung entbehrlichen
Elemente mit Rücksicht auf einfache Darstellung weggelassen. Ein weiteres Beispiel
ist in Fig. 2 gezeigt.
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In der Fig. I ist mit S der Stator bezeichnet, der die Erregerpole
I, I' der Hauptmaschine besitzt. Um den störenden Einfluß der Foucoultströme zu
beseitigen, ist es zweckmäßig, den Stator zu lamellieren. Die Pole i, i' tragen
die Erregerwicklung 9, 9', die je nach Verwendung der Maschine in bekannter Weise
in Nebenschluß, Serie oder gemischt geschaltet sein können. Mit R ist der Rotor
oder Anker bezeichnet, der ebenfalls lamelliert ist. Der Klarheit der Zeichnung
wegen sind im Anker nur wenige Nuten 8 angedeutet, welche die Leiter oder Abschnitte
der nicht gezeichneten Ankerwicklung aufnehmen. Der Kollektor ist mit C bezeichnet.
An den Kollektor sind in bekannter Weise die Leiter des Ankers angeschlossen. Auf
dem Kollektor schleifen die Bürstenpaare 2, 2' und 3, 3', die untereinander parallel
verbunden an den äußeren Stromkreis angeschlossen sind. Mit q., q.' und 5, 5' sind
Hilfs- oder Kommutierungspole bezeichnet, die in der Verbindungslinie der diametral
gegenüberliegenden Bürsten der Bürstenpaare liegen. 6, 6' sind die Steuer-oder Erregerpole
der Maschine, welche die Wicklungen io, io' tragen und in den Zwischenräumen zwischen
den Kommutierungspolen liegen.
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Die Arbeitsweise der Maschine läßt sich am besten bei getrennter Betrachtung
der Haupt- und der Hilfsmaschine erläutern. Wenn die Wicklungen der Steuer- oder
Erregerpole 6, 6' nicht stromdurchflossen sind, dann befindet sich die Maschine
wie ein gewöhnlicher Generator unter dem Einfluß des Feldes, welches sich über die
Hauptpole i, i' schließt, sobald die Erregung einsetzt. Wenn man den von der Maschine
an den äußeren Stromkreis abgegebenen Strom mit 2 T bezeichnet, dann ist der Strom
in den Wicklungselementen zwischen den Bürsten 3' und 2 gleich + T, zwischen den
Bürsten 2, 2' gleich Null und zwischen den Bürsten 2', 3 gleich - T usw. Die Teile
des Ankers, die in den von den Bürsten 2, 2', 3, 3' begrenzten spitzen Winkeln liegen,
werden somit nicht von Strom durchflossen.
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Die Bürsten der durch die Erregerpole 6, 6' und den Anker R gebildeten
Hilfsmaschine sollten in der Achse der Hauptpole r, i' liegen. Die Bürsten 2, 3'
einerseits und die Bürsten 2', 3 andererseits können aber als unterteilte Bürsten
der Hilfsmaschine betrachtet werden. Die Verbindungen zwischen 2, 2' und 3, 3' haben
für den Anker den Effekt eines Kurzschlusses bezüglich des Erregerflusses der Pole
6, 6'. Wenn die Wicklungen io, io' der Erregerpole 6, 6' erregt sind, dann entstehen
die Ströme -f- i und - i in den Teilen 3, 3' und 2, 2' des Ankers, die durch die
Bürsten kurzgeschlossen sind, aber es fließt kein Strom in den Zonen 3', 2 und 2',
3. Da der Widerstand des Ankers gering ist, sind die Ströme -f- i und - i verhältnismäßig
groß. Diese Ströme erzeugen ein Feld in Richtung der Achse i, i' der Hauptpole,
welches sich dem durch die Erregerwicklungen 9, 9' der Hauptpole i, i' erzeugten
Feld je nach dem Fall addiert oder von ihm subtrahiert, wodurch das resultierende
Erregerfeld der Hauptmaschine gebildet wird. Man erkennt, daß durch Vermittlung
der Kurzschlußströme -f- i und - i, die in den kurzgeschlossenen Zonen des Ankers
erzeugt werden, eine kleine Veränderung des Stromes in den Erregerpolen 6, 6' der
Hilfsmaschine eine große Veränderung des Erregerflusses der Hauptmaschine herbeiführt,
so daß eine beträchtliche Vergrößerung des von der Maschine in den äußeren Stromkreis
abgegebenen Stromes erzielt wird. Der Wert des von den Erregerwicklungen 9, 9' der
Hauptpole i, i' gelieferten Erregerflusses ist keineswegs beträchtlich, und man
kann annehmen, daß der Erregerfluß der Hauptmaschine gleich dem
Fluß
der Ankerrückwirkung der Hilfsmaschine im Kurzschluß ist.
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Die Wirkungsweise der durch Nebeneinanderreihen der Teilarbeitsbereiche
der Hilfs- und der Hauptmaschine geschaffenen Verstärkermaschine ist, wie in Fig.
I gezeigt, gekennzeichnet durch die Unterteilung des Ankers in vier Zonen, welche,
ausgehend vom Pol I, von den Strömen + J, - i, - J und + i durchflossen werden.
Die von den Bürsten abgenommenen Ströme sind J + i für die Bürsten 2, 3 bzw.
J - i für die Bürsten 2', 3'.
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Es ist selbstverständlich ohne weiteres möglich, der Maschine alle
bekannten und vorteilhaften Einrichtungen zuzufügen, welche geeignet sind, ihre
Funktion zu verbessern. Es ist besonders vorteilhaft, die Ankerrückwirkung der Hauptmaschine
mit Hilfe einer Wicklung zu kompensieren, welche über die Länge des Luftspaltes
derart verteilt ist, daß sie unter Last die Verzerrung des Flusses verhindert, und
daß sie die störenden gegenseitigen Wirkungen zwischen der Hauptmaschine und der
Hilfsmaschine beseitigt, wodurch die Anwendung eines geringen Luftspaltes ermöglicht
ist, und die zur Erregung der Hauptmaschine benötigten Amperewindungen verringert
werden. In der dargestellten Maschine ist eine Kompensation nur benötigt für die
Amperewindungen der Ströme + J und - J, welche nicht am ganzen Umfang des Ankers,
sondern in den von den Bürsten 3', 2 und 2 , 3 begrenzten Zonen fließen. Dadurch
ist es möglich, den Bereich der Amperewindungen für die Kompensation auf den Teil
des Ankerumfanges zu beschränken, der von den Hauptpolen bedeckt ist. In Fig. I
sind mit 7 Nuten bezeichnet, die in den Polschuhen der Hauptpole vorgesehen und
dazu bestimmt sind, die Leiter einer nicht gezeichneten Kompensationswicklung aufzunehmen.
Gegebenenfalls kann der Einfluß der Kompensationswicklung außerhalb der Polschuhe
der Hauptpole in an sich bekannter Weise mittels zusätzlicher Amperewindungen verbessert
werden, die auf den Kommutierungspolen in passender Weise angeordnet sind.
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Die Ankerrückwirkung der Hilfsmaschine darf nicht in analoger Weise
durch Amperewindungen kompensiert werden, welche in Nuten der Erregerpole 6, 6'
vorgesehen werden, weil es gerade die Ankerrückwirkung der Hilfsmaschine ist, welche
zur Ausbildung des Erregerfeldes der Hauptmaschine beiträgt. Es kann indessen ohne
weiteres, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, eine Anordnung getroffen werden,
bei welcher die Verbindungen der Bürsten 2, 2' einerseits und 3, 3' andererseits
Erregerspulen I2, I2' und 13, 13' enthalten, die auf den Hauptpolen I, I' angebracht
und in solchem Sinn gewickelt sind, daß sich die Amperewindungen des Hauptstromes
J abziehen, die des Stromes i aber addieren. Mit dieser die Ankerrückwirkung der
Hilfsmaschine nicht stark beeinflussenden Anordnung ist es denkbar, die Maschine
zu kompensieren. Die Maschine verliert aber dabei an Einfachheit. Wie ersichtlich,
ist der Polbogen der Hilfsmaschine klein; er entspricht in der Regel einem Winkel
von Io bis 30°. Auf alle Fälle ist das Produkt seiner Amperewindungen für die Erregung
der Hauptmaschine und für die Ankerrückwirkung der Hilfsmaschine meistens sehr klein,
so daß man in den meisten Fällen von einer Kompensation des Ankers der Hilfsmaschine
absehen kann, wie es meistens bei den gewöhnlichen nicht ausgenutzten Maschinen
der Fall ist.
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Dies ist wichtig für Maschinen mit Seriencrregung, welche eine besonders
geeignete Anwendung der beschriebenen Konstruktion bilden, ganz besonders dann,
wenn eine solche Maschine als Serienerreger in der Weise angewendet wird, daß sie
auf dem geraden Teil ihrer Charakteristik arbeitet und einen äußeren Stromkreis
mit konstantem Widerstand speist. Die Haupterregung ist dann bei allen Belastungen
nahezu vollkommen durch die Serienerregung gedeckt, die den Hauptpolen I, I' zugeordnet
ist. Der Querstrom i sehr kleiner Größe für die Speisung des den Polen 6, 6' der
Hilfsmaschine zugeordneten Erregerstromkreises braucht nur einzugreifen, um zufällige
Abweichungen in der Einstellung der Haupterregung (Änderung der Drehzahl, der Temperatur
der Wicklungen usw.) zu kompensieren, oder während den Regelperioden, wo dann der
Querstrom i sehr klein gegenüber dem Hauptstrom im Anker ist.
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Damit ist bewiesen, daß die Kommutation der Bürsten verbessert werden
kann, wenn gemäß Fig. I vier Kommutationspole 4, 4', 5, 5' und dementsprechend zwei
Bürstenpaare vorgesehen sind. Die Bestimmung der diesen Polen zuzuordnenden Amperewindungen
ist einfach, wenn man beachtet, daß der Wirkungsbereich der Maschine als Überlagerung
der Teilbereiche betrachtet werden kann, wobei die beiden Bürstenpaare 2, 3 und
2', 3' getrennt derart gespeist sind, daß die Amperewindungen mit den Teilströmen
J -I- i und J - i erzeugt werden.
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Man kann, wie vorher beschrieben, auf den Kommutierungspolen Leiter
anordnen, die von dem Strom 2 J der Hauptmaschine durchflossen werden, zum Zweck
der Vervollständigung des Kompensationseffektes der Leiter, die in den Nuten 7 der
Hauptpole liegen. Die Identität 2 J = (J -I- i) (J - i) erlaubt natürlich irgendeine
Kombination in irgendeinem Verhältnis der drei Ströme 2 J, (J +
i) und (J - i) durch eine äquivalente Anor dnung mit nur zwei der
Ströme zu ersetzen. Es muß dann dafür gesorgt werden, daß unter allen Umständen
die beiden Ströme sich addieren, wobei ferner zu beachten ist, daß in der gleichen
Nut oder dem Polabschnitt sich keine Leiterbündel mit entgegengesetzter Stromrichtung
befinden.
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Die Maschine gemäß der Erfindung enthält demnach wie andere bekannte
Maschinen zwei Hauptpole und zwei Steuerpole, die mit bestimmten Erregungen versehen
sind, sowie vierKommutierungsbereiche. Aber sie gibt die Möglichkeit, daß der Winkel
zwischen den Bürsten der Bürstenpaare beliebig gewählt werden kann. Gegenüber bekannten
Maschinen, in welchen die Bürsten sehr verschiedene Leistungen übernehmen, beteiligen
sich die beiden Bürsten der Bürstenpaare bei der neuen Maschine angenähert gleichmäßig
bei dem Betrieb mit
Vollast, wo sie den großen Strom aufteilen.
Da beide Bürsten nicht mehr als den halben primären Strom führen und in den zugehörigen
Polen nur der halbe Fluß vorhanden ist, ergibt sich die Aufteilung der Bürsten in
Bürstenpaare als gerechtfertigt.
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Die neue Maschine gemäß der Erfindung bietet den Vorteil, daß es nicht
notwendig ist, Hilfsbürsten im vollen Feld der Hauptpole anzuordnen. Die verschiedenen
Zonen der Kompensation und Kommutation folgen einander längs dem Luftspalt in rationeller
Weise, was zu Kurven für die magnetomotorische Kraft oder das Feld führt, die weniger
stark ansteigen oder weniger ungleichmäßig sind. Schließlich verfügen Hilfs- und
Hauptfluß über voneinander im wesentlichen getrennte magnetische Kreise, die lediglich
im Gehäuse einen gemeinsamen Weg finden und nur dann eine teilweise Verkopplung
durch den Sättigungseffekt erfahren, wenn die Induktion im Gehäuse sehr groß wird.
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Man könnte nun befürchten, daß der variable Kontaktwiderstand zwischen
den Bürsten und dem Kollektor eine gewisse Kupplung zwischen dem Hilfskreis und
dem Hauptkreis herbeiführt, deren Ströme die gleichen Bürsten gemeinsam benutzen.
Es zeigt sich aber, daß im Gegenteil das Fließen des Hilfsstromes über dieselben
Bürsten mit dem Hauptstrom eine sehr interessante Folge hinsichtlich der Leistung
und der Empfindlichkeit der Maschine hat.
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Es ist bekannt, daß Kohle-Kupfer-Kontakte durch eine angenäherte Konstanz
des Spannungsabfalles gekennzeichnet sind, wenn der Strom einen gewissen Wert übersteigt,
während der Spannungsabfall sehr variabel ist, wenn der Strom unter dem kritischen
Wert bleibt. Die Schwierigkeit, welche diese Unbestimmtheit des Spannungsabfalles
an den Bürsten mit sich bringt, gilt nur dann, wenn in den Bürsten Ströme von geringem
Wert fließen. Aus diesem Grunde ist es bei gewissen bekannten Maschinen schwer,
ein stabiles Arbeiten bei um Null schwankenden Werten der Erregung zu verwirklichen.
Im Gegensatz hierzu hat das Fließen des Hauptstromes bei der neuen Maschine den
Zweck, in bestimmter und unveränderlicher Weise den effektiven Kontaktwiderstand
bzw. den Spannungsabfall der Bürsten auf einen Wert zu reduzieren, der unvergleichlich
schwächer ist als der Wert bei gewöhnlichem Strom. Dies wirkt sich auf die Erregerströme
so aus, als ob der Kontaktwiderstand der Bürsten unterdrückt würde. Das Auftreten
des Erregerstromes i im Anker in der Nähe des Nullwertes schafft somit in keiner
Hinsicht einen mit irgendeiner Anomalie be- . hafteten Betrieb (wie z. B. eine indifferente
Zone, Ungleichmäßigkeit der Reibung), der geeignet ist, die außerordentliche Empfindlichkeit
der Maschine zu verkleinern.