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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

KLASSE 21: Elektrische Apparate und Maschinen.CLASS 21: Electrical apparatus and machines.

EDWARD HIBBERD JOHNSON in NEW-YORK.EDWARD HIBBERD JOHNSON in NEW YORK.

mit Compound-Feldwickelung.with compound field winding.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 26. Mai 1899 ab.Patented in the German Empire on May 26, 1899.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Regeln elektrischer Motoren.The present invention relates to methods and apparatus for regulating electric motors.

Man pflegt Widerstände in den Ankerstromkreisen von Motoren anzuwenden, welche ■ hinter und neben einander verbunden sind, um zu plötzlichen Geschwindigkeitsänderungen und Funkenbildung an den Bürsten und Schleiffedern vorzubeugen, und zwar sind derartige Widerstände besonders dann erforderlich, wenn der Wechsel von Hinter- in Nebeneinanderschaltung bewirkt wird. Es sind aber gegen alle Ankerwiderstände Bedenken geltend zu machen, da dieselben aus bekannten Ursachen auf den Gang des Motors schädlich einwirken, und deshalb strebt die vorliegende Erfindung das Ziel an, jeden äufseren Widerstand, der einen Fall des Potentials an den Ankerklemmen hervorruft, in Fortfall zu bringen und ohne schädigende Funkenbildung an den Bürsten der Leitung Rückstrom bei allen höheren Geschwindigkeiten wieder zuzuführen.It is customary to use resistors in the armature circuits of motors, which ■ connected behind and next to each other to cause sudden changes in speed and To prevent sparking on the brushes and slide springs, and that is the case Resistors are particularly necessary when switching from series to side-by-side connections is effected. However, reservations must be made against all armature resistances, as they are for known causes adversely affect the running of the engine, and therefore the present invention seeks the goal of any external resistance that causes a drop in the potential at the anchor terminals causes to bring in failure and without damaging spark formation on the brushes of the line reverse current at all higher To feed speeds again.

Die Erfindung läfst sich dahin kennzeichnen, dafs sie in der Anwendung eines bei niedrigen Geschwindigkeiten seiner Wirkung nach praktisch als Nebenschlufsmaschine arbeitenden Motors besteht, der allinälig in einen Hauptstrommotor bei höchsten Geschwindigkeiten übergeht. Es geschieht dies durch die Anordnung einer mehrfachen Feldwickelung, deren eine als Nebenschlufs-, die andere als Hauptstromwickelung arbeitet unter gleichzeitiger Verwendung einer mehrfachen Ankerwickelung, die zwecks Veränderung der Stärke des magnetischen Feldes in bekannter Weise parallel oder hinter einander geschaltet werden kann, wobei die Stromkreise des Elektromotors so angeordnet sind, dafs vor Eintritt eines Stromwechsels von Hinter- in Nebeneinanderschaltung die Geschwindigkeit des Motors infolge des geschwächten Feldes so gesteigert wird, dafs sie der Geschwindigkeit gleichkommt, welche mit einem starken Felde nach erfolgtem Wechsel in Nebeneinanderschaltung erzielt wird.The invention can be characterized in that it is applied to a low level Speeds practically working as a bypass machine according to its effect Motor consists of a single main current motor at the highest speeds transforms. It does this by arranging a multiple field winding, whose one works as a secondary winding, the other as a main current winding while using them at the same time a multiple armature winding, which is used to change the strength of the magnetic Field can be connected in a known manner in parallel or one behind the other, with the circuits of the electric motor are arranged in such a way that before a current change occurs from Series connection the speed of the motor as a result of the weakened Field is so increased that it equals the speed, which with a strong field is achieved after a change in side-by-side connection.

In der Zeichnung ist Fig. 1 ein Entwurf der Stromkreisverbindungen zwischen den feststehenden Stromschlufsstücken eines Reglers, eines Motors, welcher zwei Anker und zwei Stromwender mit einem Feldmagneten mit Verbundwickelung besitzt, einer in zwei getrennten Gruppen angeordneten Sammlerbatterie und der Widerstände, welche in Verbindung mit den Feldstromkreisen des Motors zur Verwendung kommen. Fig. 2 veranschaulicht die Stromschlufsstücke auf dem Schaltcylinder, dessen Bauart den bekannten dieser Art entspricht. Fig. 3 stellt die Stromschlufsstücke auf einem Umsteuercylinder bekannter Art dar, welcher zum Umkehren des Stromes durch die Feldwickelungen des Motors dient. Fig: 4 zeigt die verschiedenen Verbindungen der Motorstromkreise, wenn der Schaltcylinder mit seinen in Fig. 2 angegebenen Stromschlufsstücken über die feststehenden rechtsseitigen Stromschlufsstücke der Fig. 1 gedreht wird. Es ist in diesem Falle angenommen, dafs der Motor in Verbindung mit einer getheilten Sammlerbatterie, wie in Fig. 1 angegeben, zur Fort-In the drawing, Fig. 1 is a blueprint of the circuit connections between the fixed ones Stromschlufsteile of a controller, a motor, which two armatures and two commutators with a field magnet Has composite winding, a collector battery arranged in two separate groups and the resistors used in connection with the field circuits of the motor come. Fig. 2 illustrates the power circuit pieces on the switching cylinder, whose design corresponds to the known of this type. Fig. 3 shows the power connection pieces on a reversing cylinder of known type, which is used to reverse the flow through the Field windings of the motor are used. Fig: 4 shows the various connections of the motor circuits, when the switching cylinder with its Stromschlufsstücke indicated in Fig. 2 over the fixed right-hand Stromschlufsstücke of Fig. 1 is rotated. It is in in this case it is assumed that the motor in connection with a divided collector battery, as indicated in Fig. 1, to continue

bewegung elektrischer Fahrzeuge oder zu ähnlichem Gebrauche dient. Fig. 5 zeigt die verschiedenen Stromkreisverbindungen, wenn ein mit zwei Ankern und zwei Stromwendern mit einem Feldmagneten mit Verbundwickelung ausgerüsteter Motor in Gemeinschaft mit einem anderen Motor Reicher Einrichtung für elektrische Strafsenbahnen oder Eisenbahnen benutzt wird; es sind hier neun Schaltungen angegeben.movement of electric vehicles or for similar purposes. Fig. 5 shows the various Circuit connections if one with two anchors and two commutators with a motor equipped with a field magnet with a composite winding in association with a other motor rich establishment for electric Tramways or railways are used; nine circuits are given here.

In Fig. ι und 4 sind C¹ und C² die Stromwender für die beiden Ankerwickelungen des Motors. O ist die Nebenschlufs-Feldwickelung und T die Wickelung für das Hauptstromfeld. R,R\R'² und i?³ sind Widerstände, und zwar die beiden ersteren in Hintereinanderschaltung mit der Nebenschlufs-Feldwickelung oder in Kurzschlufs, je nachdem dies erforderlich ist, die beiden letzteren in Reihenschaltung zu den Polen der Hauptstrom-Feldwickelung und theifweise in Kurzschlufs oder unverbunden, entsprechend der Stellung des Reglers. Das Nebenschlufsfeld ist nur über eine Gruppe der Batterien für alle Stellungen des Reglers, wie in Fig. ι dargestellt, verbunden.In Fig. Ι and 4, C ¹ and C ^{2 are} the commutators for the two armature windings of the motor. O is the shunt field winding and T is the winding for the main current field. R, R \ R ' ² and i? ³ are resistors, namely the first two in series with the secondary field winding or in short circuit, depending on what is required, the latter two in series to the poles of the main current field winding and partly in short circuit or unconnected, depending on the position of the regulator . The secondary field is only connected via a group of batteries for all positions of the controller, as shown in FIG.

Die erste Stellung des Reglers oder die Geschwindigkeit Nr. ι hat die Wirkung, dafs das Nebenschlufsfeld aufsergewöhnlich stark wird, wobei der damit in Reihe geschaltete Widerstand kurz geschlossen ist. Das Hauptstromfeld liegt im Nebenschlufs zu einem schwachen Widerstand i?³, so dafs die Amperewindungen auf das geringste Mais beschränkt sind. Die in Fig. ι veranschaulichte Sammlerbatterie ist hierbei in zwei parallele Reihen B¹ B'² geschaltet. Auf diese Weise erhält man mit zwei hinter einander geschalteten Stromwendern nur 20 Volt für jeden Stromwender, falls z. .B. jede Batteriegruppe 40 Volt liefert.The first position of the regulator or the speed no. 1 has the effect that the secondary field becomes unusually strong, with the resistor connected in series being short-circuited. The main current field is in the bypass to a weak resistance i? ³ , so that the ampere-turns are limited to the smallest amount of corn. The collector battery illustrated in FIG. ^{1 is} connected in two parallel rows B 1 B ' ^2. In this way you get with two commutators connected in series only 20 volts for each commutator, if z. .B. each battery group supplies 40 volts.

Die zweite Stellung des Reglers ändert an den Stromkreisverbindungen in praktischer Hinsicht nichts, nur wird das Nebenschlufsfeld durch den Widerstand R so geschwächt, dafs der Motor zum wenigsten um 50 pCt. beschleunigt wird. Die dritte Stellung des Reglers bringt die Batterien aus der Neben- in die Hintereinanderschaltung mit 40 Volt für jeden Stromwender, giebt dem Nebenschlufsfeld wieder seine Maximalstärke und läfst mehr Strom durch die Hauptstromwickelung gehen dadurch, dafs der Hülfswiderstand R- in Reihe mit i?³ eingeschaltet ist. Diese Stellung giebt dem Motor eine um etwa 100 pCt. vermehrte Geschwindigkeit gegenüber der nach Stellung 1. Die vierte Stellung läfst die Stromkreise in praktischer Hinsicht wie bei der vorigen Stellung mit Ausnahme des Nebenschlufs-Feldstromkreises, welcher durch die Widerstände RR¹ derart geschwächt ist, dafs, wenn schon nunmehr mehr Strom durch die hinter einander geschalteten Spulen geht, das ganze Feld doch so schwach ist, dafs der Motor um wenigstens 50 pCt. schneller geht als bei der vorigen Reglerstellung. Bei der fünften Stellung des Reglers sind die Ankerstromkreise aus der Reihen- in die Parallelstellung geschaltet, und ein starker Strom geht durch die hinter einander geschalteten Wickelungen infolge davon, dafs die Widerstände R'² und R³ vollständig ausgeschaltet sind. Das Nebenschlufsfeld ist von gleicher Stärke wie bei Stellung 2 und die ge·· sammte Magnetisirung ungefähr dieselbe wie bei Stellung 3. Jeder Stromwender empfängt in praktischer Hinsicht 80 Volt, und die Geschwindigkeit ist daher etwa 100 pCt. gröfser als bei der Stellung 3. Die sechste und letzte Stellung des Reglers öffnet das Nebenschlufsfeld vollständig, läfst jedoch die anderen Stromkreise, wie sie in der fünften Stellung waren, wodurch der Motor zu schnellerem Gange veranlafst und zu einem gewöhnlichen Motor mit Hauptstromwickelung wird.The second position of the regulator does not change the circuit connections from a practical point of view, only the secondary circuit field is weakened by the resistor R so that the motor is at least 50 pCt. is accelerated. The third position of the regulator brings the batteries from the secondary circuit into the series connection with 40 volts for each commutator, gives the secondary circuit field its maximum strength again and allows more current to go through the main current winding because the auxiliary resistor R- is in series with i? ^{3 is} switched on. This position gives the motor a 100 pCt. Increased speed compared to position 1. The fourth position runs the circuits in a practical way as in the previous position with the exception of the secondary field circuit, which is weakened by the resistors RR ¹ so that, if now more current through the one behind the other switched coils works, the whole field is so weak that the motor is reduced by at least 50 pCt. goes faster than with the previous knob position. In the fifth position of the controller, the armature circuits of the series in the parallel position are connected, and a large current passes through the connected one behind the other windings as a result thereof, that the resistors R 'and R ² are completely turned off. ³ The secondary loop field is of the same strength as in position 2 and the overall magnetization is approximately the same as in position 3. Each commutator receives in practical terms 80 volts, and the speed is therefore about 100 pCt. Larger than in position 3. The sixth and last position of the controller opens the secondary circuit completely, but leaves the other circuits as they were in the fifth position, causing the motor to accelerate and become an ordinary motor with a main current winding.

Soll der Motor in Verbindung mit einem elektrischen Fahrzeuge benutzt werden, so ergiebt sich aus vorstehender Schilderung der Stromkreise das Folgende:If the engine is to be used in conjunction with an electric vehicle, it gives The following can be seen from the above description of the circuits:

Da der Motor allmälig aus einem Nebenschlufsmotor geringster Schnelligkeit zu einem Hauptstrommotor höchster Schnelligkeit umgewandelt wird, ergiebt sich, dafs die Schnelligkeit des Fahrzeuges bei den niedrigeren Geschwindigkeiten in praktischer Hinsicht constant ist, eanz gleichgültig, welche Ladung gerade vorhanden ist, dafs aber die höchsten Geschwindigkeiten sehr von der Ladung abhängen. Mit anderen Worten, der Motor wird bei den geringeren Geschwindigkeiten Neigung zeigen, Strom durch seine Ankerwickelungen im Verhältnisse zum erforderlichen Drehungsmomente aufzunehmen. Ein übermäfsiger Strom wird keine Funken an den Bürsten verursachen, weil bei der ersten und zweiten Stellung des Reglers die Spannung zwischen den einander folgenden Stromwenderstäben nur ein Viertel von jener bei Höchstgeschwindigkeit beträgt.As the engine gradually evolves from a low-speed auxiliary engine to a Main current motor is converted to the highest speed, it turns out that the speed of the vehicle constant in practical terms at the lower speeds is, eanz indifferent what charge is present, but the highest speeds depend very much on the load. In other words, the engine will tilt at the slower speeds, Current through its armature windings in relation to the required torque to record. Excessive current will not cause sparks on the brushes, because in the first and second position of the regulator the voltage between each other following commutator bars is only a quarter of that at maximum speed.

Sollte ferner die Geschwindigkeit des Fahrzeuges wesentlich die einer bestimmten Stellung i, 2 oder 3 des Reglers entsprechende Geschwindigkeit überschreiten, beispielsweise infolge absteigender Fahrt, so folgt daraus, dafs der Motor selbstthätig zu einer Dynamomaschine wird und Energie für die Batterie wiedergewinnt.Furthermore, the speed of the vehicle should be substantially that of a certain position speed corresponding to i, 2 or 3 of the controller exceed, for example as a result of descending travel, it follows that the motor automatically becomes a dynamo and recovers energy for the battery.

Sollte endlich das Fahrzeug mit der Höchstgeschwindigkeit laufen und der Regler schnellThe vehicle should finally be running at top speed and the controller fast

O ~ OO ~ O

auf Stellung 2 oder 1 zurückgebracht werden, so folgt daraus, dafs ein Strom durch die Ankerwickelungen gehen und die Batterie laden wird, dafs derselbe jedoch innerhalb sicherer Grenzen gehalten wird wegen der abschwächenden Wirkung des Hauptstromfeldes, welches infolge der Schwächung der Feldstärke dem-are returned to position 2 or 1, it follows that a current flows through the Armature windings will go and charge the battery, but the same will be safer within Limits is kept because of the weakening effect of the main current field, which due to the weakening of the field strength

entsprechend die elektromotorische Kraft des Ankers verringern wird. Die Ladung der Batterie regelt sich selbsttätig, d.h. ein starker Ladestrom schwächt das Feld und verringert daher die ' elektromotorische Kraft, und ein schwacher Ladestrom stärkt das Feld und vermehrt daher die elektromotorische Kraft.will correspondingly decrease the electromotive force of the armature. The charge of the The battery regulates itself automatically, i.e. a strong charging current weakens and reduces the field hence the 'electromotive force, and a weak charging current strengthens the field and increases it hence the electromotive force.

In Fig. 5 bezeichnet O' die Nebenschlufswickelung; C¹ C'² sind die Stromwender für die Ankerwickelungen eines Motors, O² T'² C³ C⁴ die entsprechenden Wickelungen und Stromwender des anderen Motors. Jede Ankerschaltung ergiebt drei verschiedene Geschwindigkeiten infolge einer veränderten Feldstärke.In Fig. 5, O 'denotes the shunt winding; C ¹ C ' ² are the commutators for the armature windings of one motor, O ² T' ² C ³ C ^{4 are} the corresponding windings and commutators of the other motor. Each armature circuit produces three different speeds as a result of a changed field strength.

Die ersten drei Geschwindigkeitsstufen, Nr. i, 2 und 3, geben 125 Voll für jeden Stromwender (bei einer Betriebsspannung von 500 Volt) und die Motoren arbeiten nach praktischem Begriffe als Nebenschlufsmotoren infolge des sehr starken Nebenschlufsfeldes und des schwachen Hauptstromfeldes. Die folgenden drei Geschwindigkeiten, Nr. 4, 5 und 6. geben 250 Volt für jeden Stromwender. Die Hauptstromfelder sind nun beträchtlich stärker geworden infolge Vermehrung des Stromes durch ihre Wickelungen, und die Nebenschlufsfelder sind etwas geschwächt durch Einführung eines oder mehrerer Widerstände in Hintereinanderschaltung. Die drei letzten Geschwindigkeitsstufen, Nr. 7, 8, g , geben 500 Volt für jeden Stromwender, wobei der Verlust aus der Hauptstromwickelung nicht gerechnet ist. Das Hauptstromfeld bei der siebenten Stellung ist viermal so stark als bei der ersten Stellung, und bei der achten und neunten Stellung wird es noch weiter verstärkt infolge davon, dafs mehr Strom durch den Anker geht. Das Nebenschlufsfeld ist infolge von Reihenschaltung mit Hülfswiderständen derart geschwächt, dafs die Motoren bei Höchstgeschwindigkeit als einfache Motoren mit Hauptstromwickelung arbeiten. Da in den Ankerwickelun^en kein äufserer Widerstand vorhanden ist, welcher ein beträchtliches Fallen des Potentials veranlassen könnte, und da die inneren Widerstände der Motoren selbst vergleichsweise gering sind, so ergiebt sich daraus, dafs die Geschwindigkeit der Motoren hauptsächlich von ihren elektromotorischen Gegenkräften abhängt, welche ihrerseits von der Reihenparallelschaltung der Ankerwickelungen und von der Feldstärke abhängen. Es ergiebt sich ferner aus obiger Schilderung der verschiedenen Stromkreisverbindungen, dafs die Motoren sich nicht mehr beschleunigen, wenn der Regler von der dritten zur vierten und von der sechsten zur siebenten Stellung bewegt wird, als zwischen irgend welchen zwei anderen Stellungen (die Geschwindigkeit bei der dritten und sechsten Stellung ist dabei derart infolge des geschwächten Feldes vermehrt, dafs sie der Geschwindigkeit bei der vierten und siebenten Stellung nahe kommt). Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Regler mit seinen Stromschlufsstücken wird nicht als Erfindung beansprucht; seine Darstellung verfolgt nur den Zweck, die Stromkreise erkennen zu lassen.The first three speed levels, numbers i, 2 and 3, give 125 full for each The commutator (at an operating voltage of 500 volts) and the motors work according to practical principles Terms as secondary engines due to the very strong secondary engine and of the weak main current field. Give the following three speeds, Nos. 4, 5 and 6 250 volts for each commutator. The main stream fields have now become considerably stronger as a result of an increase in the current through their windings, and the secondary fields are somewhat weakened by the introduction of one or more resistors in series. The last three speed levels, nos. 7, 8, g, give 500 volts for each commutator, with the loss coming from the main current winding is not calculated. The main current field at the seventh position is four times that stronger than in the first position, and in the eighth and ninth positions it is even wider increased as a result of more current going through the armature. The secondary field is a consequence so weakened by series connection with auxiliary resistors that the motors work as simple motors with main current winding at top speed. There in there is no external resistance to the armature windings, which is considerable Could cause a drop in potential, and because of the internal resistances of the motors themselves are comparatively low, it follows from this that the speed of the motors depends mainly on their counter electromotive forces, which in turn depends on the series-parallel connection of the armature windings and depend on the field strength. It It is also evident from the above description of the various circuit connections that the Motors no longer accelerate when the controller moves from the third to the fourth and from the sixth to the seventh position than between any two other positions (The speed in the third and sixth position is so due to the weakened Field increased so that it comes close to the speed at the fourth and seventh positions). The one shown in FIGS illustrated regulator with its Stromschlufsstücke is not claimed as an invention; its representation only pursues the purpose of showing the circuits.

Claims

Patent claim:

Method for changing the speed of one or more electric motors with compound field winding, characterized in that the field windings, one of which as shunt winding, the other as main current winding, with two or more armature circuits, which can be connected in parallel and one behind the other in a known manner, are combined, so that the motor as a result Change in the strength of the bypass or Main stream field through before respectively. parallel switched control resistances at low speeds according to its effect works practically as a secondary engine, at high speeds practically in one Main current motor passes over.

For this purpose ι sheet of drawings.