DE208497C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 208497 KLASSE 21 tf. GRUPPE

. WLADIMIR DOINIKOFF in KARLSRUHE.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 22. Februar 1907 ab.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterdrückung der Funkenbildung bei Wechselstrommaschinen, die mit einem Kommutator betrieben werden. Die Vorrichtung· nach der Erfindung ist sowohl für Einphasenmaschinen wie für Mehrphasenmaschinen anwendbar.

Mit allen bisher bekannten Vorrichtungen gelingt es. nicht, die Kurzschlußströme, die zwischen den Spitzen ein und derselben Bürste

ίο beim Kommutierungsvorgange entstehen, in geeignetem Grade zu beseitigen. Die Ursache dieser Ströme ist darin zu suchen, daß die Bürste infolge ihrer notwendig vorhandenen endlichen Ausdehnung stets gleichzeitig mehrere Kommutatorsegmente überdeckt, welche unter Umständen erheblich verschiedene Potentiale aufweisen können. Es ist bereits vorgeschlagen . worden, mit Hilfe von sogenannten Wendepolen bei Einphasen - Kommutatormaschinen mit zwei Bürsten im zweipoligen Schema die Potentialkurve des Kommutators derart zu deformieren, daß das jeweilig unter den Bürsten befindliche Stück abgeflacht wird, so daß die zwischen den Spitzen der Bürste vorhandene Potentialdifferenz möglichst herabgedrückt wird. Diese bekannten Wendepole sind zum Teil so angeordnet worden, daß sie auf die Ankerwickelung selbst wirken, zum . Teil auch schon so, daß sie auf eine Hilfswickelung wirken, die auf einen besonderen Eisenkern aufgebracht sein kann und zwischen die eigentliche Ankefwickelung und den Kommutator geschaltet ist. Alle bisher bekannten Einrichtungen dieser Art benutzen indessen nur die dynamische Induktion und nicht die Transformatorwirkung. Hieraus ergibt sich der Mangel, daß die Wirkung solcher Wendepole von der Umdrehungszahl des Ankers abhängig ist, so daß zwar bei bestimmten Umdrehungsgeschwindigkeiten ausreichende Abflachungen der Potentialkurve erhalten werden, aber nicht bei anderen, und demgemäß tritt bei allen diesen Maschinen beispielsweise beim Anlassen noch heftiges Feuer auf.

Im Gegensatz hierzu benutzt die Einrichtung nach der Erfindung nicht ausschließlich die dynamische Induktion, sondern vornehmlich die Transformatorwirkung. Nach der Erfindung wird ebenfalls ein Hilfsanker vorgesehen, der zwischen den Hauptanker und den Kommutator geschaltet ist, und ein System von Kommutierungspolen, die auf diesen Hilfsanker wirken. Während aber bisher die Wickelungen solcher Pole immer in den Hauptankerstrom eingeschaltet waren, besteht die Erfindung darin, die Wickelungen des Kommutierungsfeldes zwischen Punkte der Hauptankerwickelung zu legen, deren Verbindungslinie* ungefähr senkrecht auf einem durch den Anschlußpunkt der zugehörigen Bürste gelegten Durchmesser steht.

In der Zeichnung sind die Fig. 1 bis 3 gra-

phische Darstellungen der Korrektion der Kommutatorpotentialkurve, die durch die Erfindung erreicht werden soll.

Fig. 4 und 5 sind Darstellungen der Schaltung einer mehrphasigen Kommutatormaschine oder eines Drehfeldumformers, auf den die Einrichtung nach der Erfindung angewendet

ist. , .

Fig. 6 und 7 sind schematische Darstellungen verschiedener zugehöriger Verteilungen und Anordnungen des Eisens im Hilfsanker und in den Kommutierungspolen.

Fig. 8 und 9 sind schematische Darstellungen verschiedener Wickelungen des Hilfsankers.

Fig. io ist die Schaltung einer mehrphasi-. gen Kommutatormaschine, die mit der Einrichtung nach der Erfindung ausgestattet ist. Fig. 11 ist die Schaltung eines Vierbürsteneinphasenmotor, der mit der Einrichtung nach der Erfindung ausgestattet ist.

Fig. 12 und 13 sind Darstellungen verschiedener zugehöriger Verteilungen des Hilfsankerund Feldeisens.

Fig. 14 ist ein anderer Vierbürsteneinphasenmotor, der mit der Einrichtung nach der Erfindung ausgestattet ist.

Fig. 15 und 16 sind schematische Darstellungen verschiedener zugehöriger Verteilungen des Eisens im Hilfsanker und in den Kommutierungspolen.

Fig. 17 ist ein Dreibürsteneinphasenmotor, der mit der Einrichtung nach der Erfindung ausgestattet ist.

Der Umformer nach den Fig. 4 und 5 besteht aus dem Hauptanker A, der mit einer geschlossenen Gleichstromwickelung irgendwelcher bekannter Ausführungsform versehen sein kann und dem dureh die Schleifringe S₁, S₂, S₃ Drehstrom zugeführt wird. Auf dem Kommutator C schleifen die drei Bürsten B₁, B₂, B₃, von denen in bekannter Weise Gleichstrom abgenommen werden kann, sobald Synchronismus zwischen der Umlaufsgeschwindigkeit der Bürsten und der des Drehfeldes hergestellt ist. Für diesen Fall würden daher auch zwei Bürsten genügen, aber die Einrichtung nach der Erfindung ist nur auf solche Maschinen anwendbar, in denen wenigstens drei Bürsten vorgesehen sind.

. Die punktierte Sinuskurve C₀, C₁, C₂ in ■Fig. ι ist eine Abwickelung der Grundwelle der Kommutatorpotentialkurve. Ihr gegenüber stehen die drei Bürsten B₁, B₂, B₃ in gleichen Abständen von je 120⁰ und über den Bürstenspitzen die Kommutierungspole p\, p'\, p\, p\ und p'₃,p"₃.-

In Fig. 4 sind die Kommutierungspole durch schraffierte Rechtecke angedeutet, die mit den betreffenden Bezugszeichen versehen sind. Indem die Verbindungsdrähte zwischen der Hauptankerwickelung A und dem Kommutator C an diesen Kommutierungspolen vorbeilaufen, werden in diesen Drähten elektromotorische Kräfte induziert, deren Verlauf von der jeweiligen Erregung der Kommutie- · rungspole bestimmt wird und die sich zu den elektromotorischen Kräften der zugehörigen Stellen des Ankers addieren. Dadurch wird also an der betreffenden Stelle die Form der Kommutatorpotentialkurve verändert > und wenn die Aufgabe gestellt ist, zu verhindern, daß zwischen den beiden Spitzen jeder Bürste ein Kurzschlußstrom entsteht, der Feuer verursachen würde, so muß diese Deformation der Kommutatorpotentialkurve so geleitet werden, daß sie sich in Fig. 1 als eine örtliche Abflachung der Kommutatorpötentialkurve darstellt, die sich nach beiden Seiten etwas über die Bürstenspitzen hinaus erstreckt.

Diese Abflachungen sind in Fig. 1 in die Kurve C₀, C₁, C₂ eingezeichnet und die Differenzen zwischen den Ordinaten der nicht deformierten, punktiert gezeichneten, und der deformierten, ausgezogen gezeichneten, Potentialkurve bestimmen die elektromotorischen Kräfte, die mit Hilfe der Kommutierungspole p', p¹' in den Verbindungsdrähten zwischen der Ankerwickelung und dem Kommutator induziert werden müssen, damit die verlangten Abflachungen zustande kommen. Diese zusätzlichen elektromotorischen Kräfte sind alsdann für dieselben Ordinaten auf einer anderen Abszissenachse in Fig. 2 eingetragen und stellen sich hier als kleine Wellenstücke dar, die für benachbarte Pole p', p" und für die dargestellten Zeitpunkte entgegengesetztes Vorzeichen haben. Nur in dem Zeitpunkt, in dem die Bürstenachse den Scheitel der Kornmutatorpotentialkurve durchläuft, haben beide zusätzlichen elektromotorischen Kräfte gleiches Vorzeichen.

Denkt man sich in dieser Weise für alle Zeitpunkte die Wellenstücke auf der Abszissenachse der Fig. 2 Verzeichnet, welche die zusätzlichen elektromotorischen Kräfte in den zugehörigen Zeitpunkten darstellen, und alle ihre Scheitelpunkte durch eine einhüllende Kurve verbunden, so erhält man die in Fig. 2 no durch strichpunktierte Linien angedeuteten beiden Kurven. Die theoretische Erörterung des Vorganges ergibt, daß diese »einhüllenden« Kurven für eine sinusoidale Kommutatorpotentialkurve wieder Sinuskurven sind, die aber um go° gegen die Kommutatorpotentialkurve verschoben sind.

Nach einer solchen einhüllenden Kurve müssen also die Erregungen' der Kommutierungspole fortlaufend variieren, wenn sie in

den Verbindungsdrähten zwischen der Ankerwickelung und dem Kommutator solche zusätzliche elektromotorische Kräfte induzieren sollen, daß stets das zwischen den Bürsten-, spitzen liegende Stück der Kommutatorpotentialkurve abgeflacht sei, und um diese Erregung der Kommutierungspole zu erhalten, werden sie nach der Erfindung zu den Bürsten parallel geschaltet, wie dies in Fig. 5 angegeben ist.

Um eine möglichst vollkommene Ausnutzung der die Kommutierungspole erregenden Ströme zu erhalten, ist es nötig, daß der in ihnen erzeugte magnetische Kraftfluß möglichst vollkommen durch Eisen geschlossen werde, und zu diesem Zweck erhält jedes zusammengehörige Polsystem ein zugehöriges J och j und die den Verbindungsleitungen zwischen dem Anker und dem Kommutator zugekehrten wirksamen Polflächen werden durch einen besonderen Hilfsankereisenkern geschlossen, der etwa zwischen dem Hauptanker und dem Kommutator auf der Ankerwelle aufgekeilt sein kann und mit dem Anker umläuft. Für dieses Kommutierungsmagnetsystem ergibt sich also das Schema, das in Fig. 6 dargestellt ist. Die Pole ft' sind außen durch das Joch /' geschlossen und die Pole ft'¹ durch das Joch/", und im Innern sind alle Pole durch das Hilfsankereisen A_h geschlossen.

^Iti Fig. 7 ist eine Anordnung des Kommutierungseisens dargestellt, welche dieselben Betriebsbedingungen ergibt, aber wesentlich einfacher zu bauen ist. Es ist nämlich hier jeder einzelne Pol durch ein besonderes Joch ■ i'v ί"ι ^usf· geschlossen. Dadurch ergibt sich . allerdings für jeden wirksamen Pol auch noch ' ein Nebenpol, welcher natürlich auf die ihm gegenüberstehenden Verbindungsdrähte wirken wird wie der Hauptpol. Da aber die zugehörigen Kommutatorsegmente nicht durch die Bürsten kurzgeschlossen sind, so hat die dadurch erzeugte örtliche Deformierung der Kommutatorpotentialkurve keinerlei praktische

Folgen. ■

In den Fig. 8 und 9 ist A die Wickelung des Hauptankers, C der Kommutator und B die Bürste, ft' und ft" sind die Kommutierungspole. Die beiden Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen der Hilfsankerwickelung, und zwar ist Fig. 8 das Schema einer Trommel Wickelung und Fig. 9 das'Schema einer Ringwickelung. .

Die bisher beschriebene Schaltung ergibt indessen nur eine Annäherung an diejenigen Werte der Erregung der Kommutierungspole, die erhalten werden müßten, wenn die verlangten örtlichen Abflachungen der Kommutatorpotentialkurve wirklich Zustandekommen sollten. Werden nämlich die beiden Wickelungen eines Kommutierungspolpaares, z. B. der Kommutierungspole ft\ und ft'\, wie in Fig. 5 angegeben ist, unmittelbar an die gegenüberliegenden beiden Bürsten B₁ und B₃ angeschlossen, so erhält man eine Erregung, die nach einer »Einhüllenden« verläuft, die räumlich gegen die Potentialkurve um 90 ° verschoben ist. Da es aber zur vollständigen Unterdrückung des Feuers an den Bürstenspitzen notwendig ist, daß die örtliche Ab- flachung der Kommutatorpotentialkurve sich nach beiden Seiten etwas weiter erstrecke als die Bürstenspitzen selbst, so müssen die Achsen der beiden Pole ft\ und ft'\ auch nach beiden Seiten aus der Bürstenachse herausgerückt sein, und um diesen Betrag, der ±_b° betragen möge, wird auch für die beiden Pole die zugehörige Einhüllende vor- und nacheilen. Diese Vor- und Nacheilung der beiden Einhüllenden ist in Fig. 3 angegeben, und man sieht hier, daß der dadurch entstehende Fehler nicht sehr groß ist.

Soll aber dieser Fehler vermieden werden, und will man die theoretisch richtige Lage der beiden Einhüllenden erhalten, wie sie in Fig. 2 angegeben ist, so müßten die Anschlußpunkte für die Enden der Wickelungen der beiden Kommutierungspole an die Endpunkte eines Durchmessers gelegt werden, der gegen den Berührungspunkt der zugehörigen Bürste um (90 _+ S) ° gedreht ist. Da indessen der Berührungspunkt der Bürste am Kommutator nicht fest steht, sondern umläuft, so läßt sich diese Abzweigung nicht am Kommutator selbst ausführen. Sie läßt sich aber ausführen, wenn man zu der Schaltung übergeht, die in Fig. 10 dargestellt ist.

In Fig. 10 ist der links liegende Teil der Schaltung zunächst eine Wiederholung der Fig. 5. Anstatt aber, daß die Wickelungen der drei Kommutierungspolpaare ft', ft" unmittelbar an die Bürsten angeschlossen sind, ist hier zwischen die Bürsten und die Kommutierungspole noch ein Transformator 71 eingeschaltet, der in der Figur rechts gezeichnet ist. Der Transformator T besteht im wesentlichen aus einem ring- oder trommeiförmigen Eisenkern, der mit einer geschlossenen Gleichstromwickelung bekannter Ausführungsform versehen ist. An diese Wickelung sind in drei symmetrisch verteilten Punkten J₁, b₂ und b₃ die drei Bürsten .parallel angeschlossen. Es wird daher in dem Eisen des Transformators ein Drehfeld erregt, welches synchron mit dem Hauptfeld der Maschine umläuft. Die Anschlußpunkte der Wickelungen der Pole ft\ und ft'\ sind dadurch besonders hervorgehoben, daß die Durchmesser, auf deren Endpunkten sie liegen, in den Transformator einpunktiert und mit den Bezugszeichen <ft \ und ft"_x ver-

sehen sind. Die Anschlußpunkte der Wickelungen der übrigen Kommutierungspole sind auch eingezeichnet, aber nicht besonders hervorgehoben, weil sonst die Darstellung nicht übersichtlich genug ausfallen würde.

Durch dieses Mittel der Zwischenschaltung des Transformators T zwischen die Bürsten und die Kommutierungspole wird also erreicht, daß die Erregungswellen oder Einhüllenden

ίο für beide Pole eines Paares p', -p" genau um 180 ° gegeneinander verschoben sind, und daß beide Erregungskurven um genau 90 ° gegen die Grundwelle der Kommutatorpotentialkurve verschoben sind, d. h. es wird der theoretisehen Forderung genügt, welche aus der verlangten örtlichen Abflachung der Kommutatorpotentialkurve abgeleitet werden kann.

Die so erhaltene Erregungskurve für die Kommutierungspole ist in Fig. 2 punktiert gezeichnet, und die nach dieser Kurve erregten Kommutierungspole würden also eine vollständige Unterdrückung des Bürstenfeuers erzeugen, wenn die Kommutatorpotentialkurve nur aus der gezeichneten sinusoidalen Grundwelle bestände. Es wird aber durch diese Schaltung auch gleichzeitig ein Teil der Oberwellen vollkommen berücksichtigt, nämlich alle Oberwellen' (2 γ -j- ι)^ter Ordnung, worin, γ eine ganze gerade Zahl bedeutet. Es ist das die fünfte, die neunte, die dreizehnte usf., . also von fünf aufwärts jede vierte Oberwelle.

Ergibt sich also in irgendeinem besonderen Falle, daß gerade die dritte und siebente Harmonische stark ausgebildet ist, so müssen für diesen Fall besondere Vorkehrungen getroffen werden, um deren schädliche Wirkungen auf die Kommutierung zu unterdrücken, und das

. kann durch Anwendung der verschiedenen bekannten Schaltungen erreicht werden, die geeignet sind, diese Harmonischen zu unterdrücken oder abzuschwächen. . '

Die Fig. 11 bis 17 stellen die Anwendung

' der Einrichtung nach der Erfindung auf eine Auswahl von bekannten Wechselstrommotortypen beispielsweise dar. Fig. 11 ist die be-, ¹ kannte Schaltung eines Vierbürsteneinphasenmotors, Fig. 14 diejenige eines anderen Vierbürsteneinphasenmotors und Fig. 17 diejenige eines Dreibürstenmotors. Nach dem Gesagten werden diese Schaltungen ohne besondere Erklärung verständlich sein. Die Bezugszeichen für homologe Teile sind dieselben wie in den beschriebenen Schaltungen. Die Leitungen, die von den Bürsten abgezweigt sind, sind am Transformator immer · nach- demselben. Schema angeschlossen, nach welchem die Verbindung zwischen dem Anker und den Bürsten hergestellt ist, so daß in der Transformatorwickelung ein Abbild der Kommutatorpotentialkurve erzeugt wird. Wo vier Bürsten anstatt drei angewendet werden, sind entsprechend auch vier Kommutierungspolpaare p', p" vorgesehen und nach der angegebenen Regel an .die Transformatorwickelung angeschlossen.

Für den Motor (Fig. ii) ergibt sich demnach für' das Kommutierungsfeld- und Ankereisen das Schema, das in Fig. 12 in seiner theoretisch einfachsten Form dargestellt ist, und in Fig. 13 in seiner praktisch einfachsten Ausführungsform.

Für den Motor nach Fig. 14 ist das Kommutierungseisen in den Fig. 15 und 16 dargestellt. Für den Dreibürstenmotor wird für das Kommutierungseisen dasselbe Schema erhalten, das für den dreiphasigen Kommutatormotor nach Fig. 10 gefunden worden und in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist.

Um in diesem Fall eine möglichst gute Ausnutzung des Transformators zu erreichen, sind einige Punkte der Wickelung miteinander kurz verbunden, welche gleiches Potential haben.

Claims (3)

Patent-Ansprüche:

1. Einrichtung zur Verhinderung des Feuerns an den Bürsten von Wechselstrom-Kommutatormaschinen, bei welcher die Verbindungsdrähte zwischen der Ankerwickelung und. dem Kommutator auf einen Hilfsankereisenkern aufgewickelt sind und durch Kommutierungspole derart beeinflußt werden, daß die Kommutatorpotentialkurve bei der Anwendung auf mehrphasige Dreh-1 feldumformer . durch dynamisch induzierte elektromotorische Kräfte und bei der An-Wendung auf' Wechselstrom-Kommutatormaschinen mit einer Spannung von konstanter Periodenzahl an den Bürsten durch statisch induzierte elektromotorische Kräfte an den Stellen abgeflacht, wird, wo die Bürsten anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelungen der Kommutierungspole zwischen je zwei Punkte der Ankerwickelung geschaltet werden, deren Verbindungslinie ungefähr senkrecht auf einem durch den Anschlußpunkt der zugehörigen Bürste gelegten Durchmesser steht.

2. Einrichtung nach . Anspruch 1, angewendet auf Wechselstrom-Kommutatormaschinen mit einer Wechselspannung von konstanter Periodenzahl an den Bürsten,

. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Bürsten und die Wickelungen der Kom-

■ mutierungspole ein mit einer geschlossenen Gleichstromwickelung ausgestatteter Transformator eingeschaltet ist, dessen Wickelung mit den Bürsten durch eine.Schaltung verbunden ist, die der Schaltung entspricht, durch welche die Bürsten mit der Anker- iao

Wickelung verbunden sind, und an dessen Wickelung die Wickelungen der Kommutierungspole derart angeschlossen sind, daß sie zwischen Endpunkten von Durchmessern liegen, die um 90° vermehrt oder vermindert um etwa eine halbe Lamellenbreite mehr als eine halbe Bürstenbreite von den Bürstenachsen gegen die Anschlußpunkte der Bürstenverbindungen verdreht sind.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kommutierungspol durch ein besonderes Joch gegen das Hilfsankereisen geschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.