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Kompoundierter Wechselstromgenerator mit selbsterregten Außenpolen
Die Erfindung betrifft einen kompoundierten Wechselstromgenerator mit selbsterregten
Außenpolen, bei welchem die feldverzerrende Wirkung des Wechselstromankers unter
Verwendung von zwei getrennten Erregerwicklungen zur Kompoundierung ausgenutzt wird.
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Zur Kompoundierung ist es für Wechselstromaußenpolgeneratoren bekannt,
die Ankerrückwirkung, insbesondere die Feldverschiebung im Sinne der Drehrichtung
auszunutzen. Beispielsweise werden Polschuhe mit unterschiedlichem Luftspalt der
beiden Polschuhkanten verwendet, indem bei einem Synchrongenerator der im Sinne
der Drehrichtung auflaufenden Polschuhkante ein kleinerer Luftspalt zugeordnet wird
oder indem dieser Polschuh im Bereich der betreffenden Kante eine feldverstärkende
Erregung erhält. Durch- diese teilweise Aufhebung der Feldverzerrung ist es namentlich
bei Leistungsfaktoren in der Nähe von cos p = I möglich, die als gegenläufige Komponente
der Ankeramperewindungen bekannte Gegenwirkung des Wechselstromankers entsprechend
aufzuheben und damit eine gewisse Schwächung des Hauptfeldes sowie das Absinken
der Klemmenspannung zu verhindern. Besonders gute Ergebnisse hat man sich bei solchen
Kompoundierungseinrichtungen weiter davon versprochen, daß in den Polen radiale
Luftschlitze vorgesehen werden.
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Ferner hat man zur Kompoundierung derartiger Maschinen bereits früher
auf Zwischen- bzw. Hilfsbürsten oder auf unsymmetrische Bürstenanordnungen zurückgegriffen,
wobei aber beträchtliche Kommutierungsschwierigkeiten auftreten. Diese beruhen darauf,
daß die im Augenblick der Kommutierung
von der Zwischenbürste kurzgeschlossene
Ankerspule sich nicht in einem im wesentlichen feldfreien Raum befindet, sondern
unter den Polen liegt.
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Zur Vermeidung dieser Kommutierungsschwierigkeiten hat man Poleinschnitte
vorgesehen, die hierfür eine feldfreie Zone schaffen sollten. Derartige Poleinschnitte
zum Zwecke einwandfreier Kommutierung sind aber nur bei großen Maschinen möglich
und dort auch gebräuchlich. Dagegen würden bei ausgesprochenen Kleinmaschinen bis
hinauf zu 6 kW die Poleinschnitte, um wirksam zu sein, eine Breite von etwa 35 mm
haben müssen, teilweise über die Hälfte der nutzbaren Polfläche in Anspruch nehmen
und die Ausnutzung der Maschine entsprechend beeinträchtigen.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen kompoundierten Wechselstromgenerator
mit selbsterregten Außenpolen zu schaffen, der auch mit Hilfs- oder Zwischenbürsten
eine einwandfreie Kommutierung zu erzielen gestattet, ohne Poleinschnitte vorsehen
zu müssen.
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Die erfinderische Lösung der gestellten Aufgabe besteht nun darin,
daß an den um I8o elektrische Grade zueinander versetzten Hauptbürsten des Erregerkollektors
die Haupterregerwicklung und an der im Sinne der Drehrichtung vorlaufenden Hauptbürste
sowie an einer zwischen den Hauptbürsten angeordneten Hilfsbürste die Zusatzerregerwicklung
liegt, welche bei Belastung eine zusätzliche gleichsinnige Erregung zu liefern hat,
und der gesamte, vorzugsweise verschiebbare Bürstensatz im Sinne der Drehrichtung
verschoben ist.
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Es ist zwar bereits bekannt, durch Verschiebung der Gleichstrombürsten
des Erregerkollektors im Sinne der Drehrichtung die feldverzerrende Ankerrückwirkung
zu einer gewissen Verstärkung der magnetischen Durchflutung und damit zu einer teilweisen
Kompoundierung auszunutzen. Hierbei sind aber sehr große Verschiebungen der Bürsten
nötig, um eine einigermaßen merkliche kompoundierende Wirkung zu erzielen, ganz
abgesehen davon, daß entsprechend der Bürstenverschiebung die Kommutierung immer
schlechter wird, so daß vor allem in konstruktiver Hinsicht befriedigende Ausführungen
solcher Generatoren praktisch nicht möglich sind.
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Die Erfindung bringt noch weitere, technisch und wirtschaftlich bedeutsame
Vorteile mit sich. So können erstmalig kleine und kleinste mittels Zwischenbürsten
kompoundierte Wechselstrommaschinen mit gleichzeitiger einwandfreier Kompoundierung
gebaut werden, und es kann bei größeren derartigen Generatoren auf den bisher üblichen
Poleinschnitt verzichtet werden, der sich in jedem Fall leistungsvermindernd auswirkt.
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Weiter wurde gefunden, daß sich noch bessere Kompoundierungswirkungen
erzielen lassen, wenn der im Sinne der Drehrichtung ablaufende Teil des Polschuhes
in Richtung der Polachse bei wesentlich zunehmendem Luftspalt erheblich verstärkt
und im Sinne der Drehrichtung peripher verlängert ist, während der auflaufende Teil
des Polschuhes bei normalem, zweckmäßigerweise aber verkleinertem Luftspalt entsprechend
verkürzt ist. Das Merkmal, daß der im Sinne der Drehrichtung peripher verlängerte
Polschuh zugleich in Richtung der Polachse erheblich verstärkt ist, bringt unter
anderem den Vorteil mit sich, daß die verdickten Polschuhe den aus dem Anker austretenden
Kraftlinien der Ankerrückwirkung einen direkten magnetischen Schluß von nahezu doppelter
magnetischer Leitfähigkeit geben, wie ihn der Weg über Polschuh, Polkern, Joch bietet.
Hierdurch wird die im Polkern schädliche entgegengerichtete Ankerwirkung praktisch
aufgehoben. Andererseits werden in den Polschuhen in der Richtung des Nutzflusses
zusätzliche Kraftlinien in den Anker geleitet und demzufolge eine feldverstärkende
Wirkung erzielt. Darüber hinaus wird durch die Verstärkerwirkung der Selbsterregung
(Rückkopplung) eine weitere Aufkompoundierung erzielt. Diese Maßnahme erhöht insbesondere
durch die amortisierende Wirkung die Aufkompoundierungswirkung gemäß der Erfindung.
Die Vergrößerung des Luftspaltes wird nicht zur Verstärkung der Kompoundierung,
sondern zur Verbesserung der Kommutierung benutzt.
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Es soll nämlich bei einem eventuellen Übergreifen der kommutierenden
Ankerspule in den Bereich des peripher verlängerten Polschuhs an diese Stelle nur
ein verhältnismäßig schwaches austretendes Feld herrschen.
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Die Verstärkung und die Verlängerung des Polschuhes gewährleisten
es, in Verbindung mit der entsprechenden Vergrößerung des Luftspaltes, daß auch
bei großer Bürstenverschiebung der erfindungsgemäß angestrebte erhebliche Unterschied
des Feldverlaufes zwischen Leerlauf und Belastung in diesem Polschuhteil auftritt,
der bei der Erzeugung der Zusatzerregerspannung besonders ins Gewicht fällt.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
sowie von Durchflutungs-und Felddiagrammen erläutert.
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Fig. i veranschaulicht in zweipoligem Schaltbild den Erregerkollektor,
die drei Bürsten und die beiden Erregerwicklungen; Fig.2 zeigt ebenfalls für einen
zweipoligen Generator die Anordnung der Pole und die nichtverschobenen Bürsten AMB
sowie den verschobenen Bürstensatz A'M'B'; Fig. 3 gibt einen in Drehrichtung verlängerten
Polschuh bei verbreitertem Luftspalt und einen in Drehrichtung verschobenen Bürstensatz
wieder; Fig. 4 stellt abermals einen zweipoligen Generator mit dem einen unbewickelten
Hilfspol zwischen den Hauptpolen und mit verschobenem Bürstensatz dar; Fig. 5 veranschaulicht
einen Hauptpol mit dreieckigem Poleinschnitt; Fig. 6 zeigt bei nichtverschobenen
Bürsten und bei einem Leistungsfaktor cos (p = i die Kurven des Hauptfeldes und
des Ankerfeldes sowie die Kurve der resultierenden Durchflutung bei Belastung; Fig.
7 gibt die Kurve des Hauptfeldes und die Kurve der resultierenden Durchflutung bei
Belastung zwischen den im Sinne der Drehrichtung verschobenen Bürsten A' und M'
wieder;
Fig. 8 schließlich zeigt für einen Leistungsfaktor cos p
= o,8 die Kurven des Hauptfeldes und des Ankerfeldes sowie die Kurve der resultierenden
Durchflutung bei Belastung.
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Auf dem Kollektor I (Fig. I), der sich in Richtung des Pfeiles drehen
möge, liegen die Hauptbürsten A und B; sie sind I8o elektrische Grade voneinander
versetzt und speisen die Haupterregerwicklung 2. Zwischen den Hauptbürsten A, B
und etwas näher der vorlaufenden Bürste A liegt die Hilfsbürste M, welche die Zusatzerregerwicklung
3 speist, deren anderes Ende an der vorlaufenden Hauptbürste A liegt. Die Zusatzerregerwicklung
3 ist gleichsinnig mit der Haupterregerwicklung 2. Die von der Hilfsbürste gespeiste
Zusatzerregung steigt von Leerlauf bis Vollast infolge der feldverzerrenden Wirkung
der Wechselstrom-Ankerwicklung stark an.
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In der Fig. 2 ist die räumliche Prinzipanordnung eines zweipoligen
Generators dargestellt. Auf dem Kollektor 4 des Ankers 5 liegt der zu Fig. I beschriebene
Bürstensatz A, M, B, der nicht verschoben ist. Bei Verschiebung um den Winkel
E in Drehrichtung nimmt der Bürstensatz die Stellungen A'M'B' ein. Der nordmagnetische
Pol 6 und der südmagnetische Pol 7 sind ausgeprägt ausgebildet und werden vom Generator
selbst erregt.
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Aus der Fig. 3 ist ein erfindungsgemäß ausgestalteter Hauptpol 8 mit
gegebenenfalls verkürztem auflaufendem Teil g und einem zugehörigen, entweder normalen
oder gegebenenfalls entsprechend verengtem Luftspalt Io dargestellt. Der ablaufende
Teil II des Polschuhes ist peripher verlängert, und außerdem sind beide Polschuhteile
in Richtung der Polachse erheblich verstärkt, oder es kann auch nur der ablaufende
Teil II des Polschuhes in Richtung der Polachse erheblich verstärkt sein; der zugehörige
Luftspalt I2 nimmt dabei im Sinne der Drehrichtung wesentlich zu.
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Fig. 4 zeigt wieder das zweipolige Prinzipbild des Generators mit
Kollektor 4, Anker 5, nordmagnetisiertem Pol 6 und südmagnetisiertem Pol 7 sowie
den verschobenen Bürstensatz A'M'B'. Zwischen den Hauptpolen 6 und 7 ist ein nichtbewikkelter
Hilfspol I3 mit verbreitertem Polschuh angeordnet; dieser Hilfspol dient nach einem
älteren Vorschlag der Auswirkung der Ankerdurchflutung bei kleinerem Nenn-Leistungsfaktor.
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Aus der Fig. 5 ist ein Hauptpol 14 zu ersehen mit peripher verlängertem
Teil I5 und beiderseits verstärkten Polschuhen, gegebenenfalls auch nur mit verstärktem
Polschuhteil I5 sowie entsprechend vergrößertem Luftspalt I6 und mit normalem oder
verengtem Luftspalt unter dem auflaufenden Teil des Polschuhes. Der Polschuh ist
näher der ablaufenden Kante mit einem dreieckigen, ziemlich spitzen und schmalen
Einschnitt I7 versehen. Der Bürstensatz A'A'B' ist im Sinne der Drehrichtung verschoben.
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Aus den Fig. 6, 7 und 8 ergeben sich in graphischen Darstellungen
die kompoundierenden Wirkungen bei dem Generator nach der Erfindung. Die Fig. 6
und 7 stellen die Verhältnisse für cos p = I, Fig. 8 für cos p = o,8 dar. Auf dem
abgewickelten Kollektor I8 (Fig. 6) liegen, nicht verschoben, die Bürsten AMB. Die
Feldverteilungen sind bei Hauptfeld und Ankerfeld der Einfachheit halber sinusförmig
angenommen. Die Kurve I9 stellt die Felderregerkurve der Leerlauferregung dar, deren
induzierte Gleichspannung an den Bürsten A und B
abgenommen wird. Die
Kurve 2o zeigt den Verlauf der Felderregung der Ankerrückwirkung; die Kurve 2o ist
um 90° gegen die Leerlauferregerkurve I9 versetzt. Die Spannung für die Zusatzerregerwicklung
wird an den Bürsten A und M abgenommen. Die Überlagerung der beiden Felderregerkurven
I9 und 20 ergibt die resultierende Felderregerkurve 2I, die sogenannte Durchflutung.
Da die Potentialkurve des Kollektors bekanntlich gleich der Summationskurve oder
Integralkurve der Felderregerkurve ist (vergleiche z. B. A r n o 1 d - la C o u
r, die Gleichstrommaschine, Bd. I, Springer, Berlin, I9I9, S. 195 ff.), gibt in
Fig. 6 die über den Bürsten A und M liegende, schraffierte Fläche P Q R S,
die mit 22 bezeichnet ist, ein Maß für die abgenommene Erregerspannung für die Zusatzerregung.
Die Differenzfläche P R S stellt dar, um wieviel die resultierende Felderregung
infolge der Ankerrückwirkung größer ist als die zur Leerlauferregung gehörende,
kreuzschraffierte Fläche P Q R, die mit 23 bezeichnet ist.
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Sind gemäß der Fig. 7 alle drei Bürsten im Sinne der Drehrichtung
um den Winkel E verschoben, so haben zwar die Leerlauferregerkurve I9 und die Felderregerkurve
2o der Ankerrückwirkung die gleiche räumliche Lage, auch zueinander, aber es wird
durch die verschobenen Bürsten A'M' eine andere, und zwar größere Differenzfläche
22 als Maß für die kompoundierende Erregerspannung an der Zusatzerregerwicklung
bestimmt.
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Bei cos p = o,8 verschiebt sich, wie aus der Fig. 8 hervorgeht, die
Ankerrückwirkungskurve 2o gegenüber der Leerlauferregerkurve I9, so daß entsprechend
die Differenzfläche 22, das Maß für die Zusatzerregung, kleiner als bei cos p=I
(Fig. 7) ist; der Bürstenverschiebungswinkel E ist in Fig. 8 genau so groß wie in
Fig. 7.