DE213464C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- Jig 213464 KLASSE 21 f/. GRUPPE

Verfahren zur Regelung von Einphasenkollektormotoren.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. Juli 1908 ab.

Für diese Anmeldung ist bei der Prüfung gemäß dem Unionsvertrage vom

2O. März 1883 die Priorität

14. Dezember igoo auf Grund der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika vom 15. Juli 1907 anerkannt.

Es gibt zwei wohlbekannte .Formen von Einphasenkollektormotoren, den kompensierten Reihenschlußmotor und den Repulsionsmotor. Ersterer besitzt zwei getrennte Wicklungen auf dem Ständer, welche beide mit dem Anker in Reihe geschältet sind. Die eine Ständerwicklung, Feld- oder Erregerwicklung genannt, erzeugt ein Magnetfeld senkrecht zur Ankerachse und liefert daher zusammen mit dem Ankerstrom das Drehmoment des Motors. Die andere Wicklung, Kompensationswicklung genannt, erzeugt ein Magnetfeld in der Richtung der Ankerachse und dient dazu, die Ankerrückwirkung und -Selbstinduktion zu neutralisieren oder zu kompensieren. Der Repulsionsmotor, bei welchem der Anker einen ganz unabhängigen Stromkreis bildet, in welchem der Strom durch Induktion durch die Ständerwicklung erzeugt wird, anstatt wie beim Reihenschlußmotor von außen zugeführt zu werden, kann auf dem Ständer eine einzige Wicklung besitzen, welche ein Feld unter schiefem Winkel zur Ankerachse erzeugt, oder er kann auf dem Ständer zwei getrennte Wicklungen besitzen wie der kompensierte Reihenschlußmotor. Dabei bildet die gleichachsige Ständerwicklung die induzierende Wicklung, welche den Strom im Anker induziert, während die Erregerwicklung wie beim Reihenschlußmotor das Magnetfeld erregt. Die Erfindung bezieht sich sowohl auf Motoren mit einer als auch auf solche mit zwei Ständerwicklungen.

Beim Reihenschlußmotor wird, sowie er angelaufen ist, nahezu die ganze dem Motor aufgedrückte Spannung zwischen den Ankerklemmen aufgenommen durch die gegenelektromotorische Kraft, welche durch die Rotation erzeugt wird, mit anderen Worten, nahezu die ganze Energie wird durch den Anker aufgenommen. Beim Repulsionsmotor ist die Spannung zwischen den Ankerklemmen gleich Null, da ja der Anker kurzgeschlossen ist, so daß die ganze aufgedrückte Spannung und die ganze Energie durch den Ständer aufgenommen wird, wobei die gegenelektromotorische Kraft in der Ständerwicklung durch das Feld induziert wird, welches die Ströme im kurzgeschlossenen Anker induziert. Da dieses Feld nicht nur im Anker die niedrige Spannung induzieren muß, die beim Anlauf erforderlich ist, um den Ankerstrom durch den Ankerwiderstand zu treiben, sondern auch, sowie sich der Anker in Bewegung setzt, die elektromotorische Kraft überwinden muß, die durch dessen Rotation erzeugt wird, "so wächst es mit wachsender Läufergeschwindigkeit, was sich in der Ständerwicklung als wachsende gegenelektromotorische Kraft bemerkbar macht. Beim Reihenschlußmotor wird, der Anker unmittelbar von außen mit Strom gespeist, und die in ihm durch Rotation .

erzeugte Spannung erscheint unmittelbar an den Ankerklemmen, so daß kein induzierendes Feld vorhanden ist.

"Das beim Repulsionsmotor vorhandene induzierende Feld hat einen bedeutenden Einfluß auf die Kommutierung, da es von den Ankerwindungen geschnitten wird, während sie an. den Kommutatorbürsten vorbeistreichen und durch. sie vorübergehend kurzgeschlossen

ίο werden. Die elektromotorische Kraft, welche in den kurzgeschlossenen Ankerwindungen dadurch induziert wird, daß sie dieses Feld schneiden, ist. entgegengesetzt gerichtet zu jener elektromotorischen Kraft, welche in diesen Windungen durch die Transformator-. wirkung des Erregerfeldes induziert wird.

Letztere elektromotorische Kraft, welche in den kurzgeschlossenen Windungen sowohl beim Repulsions- wie beim Reihenschlußmotor auf-.

ao tritt, hängt bloß vom Motorstrom ab, welcher die Tendenz hat, mit wachsender Geschwindigkeit zu sinken. Die elektromotorische Kraft, welche in den kurzgeschlossenen Windungen des Repulsionsmotors durch die Rotation im induzierenden Felde erzeugt wird, hängt sowohl von der Ankergeschwindigkeit als von der Stärke des induzierenden Feldes ab, welches — wie bereits bemerkt — mit wachsender Geschwindigkeit zunimmt. Während daher bei niedriger Geschwindigkeit der Einfluß des induzierenden Feldes vorteilhaft ist, da die' durch Rotation in diesem Felde induzierte elektromotorische Kraft die durch Transformatorwirkung in den kurzgeschlossenen Ankerwindungen induzierte elektromotorische Kraft aufzuheben sucht, wird diese Einwirkung bei hohen Geschwindigkeiten zu stark und sehr gefährlich. '

Indem man den Motor mit kurzgeschlossenem Läufer anlaufen läßt und die Ankerverbindungen derart ändert, daß die Spannung an den Ankerklemmen mit wachsender Geschwindigkeit allmählich zunimmt, kann die Stärke des induzierenden Feldes allmählich derart verringert werden, daß sie für jede Geschwindigkeit den richtigen Wert besitzt, um eine gute Kommutierung zu sichern. Gemäß der Erfindung wird dieses Resultat in einfacher und wirksamer Weise erreicht. Beide Arbeitswicklungen werden an Teilspannungen eines Transformators gelegt und mit wachsender Geschwindigkeit die Spannung des Ankers vergrößert, diejenige der Ständerarbeitswicklung verringert. Im Anlauf ist der Anker kurzgeschlossen.

Durch diese Art der Regelung wird bewirkt, daß sich die beiden erwähnten elektromotorischen Kräfte bei allen Geschwindigkeiten ungefähr aufheben, was beim gewöhnlichen Repulsionsmotor bloß bei niedriger Geschwindigkeit der Fall ist. Es existiert jedoch noch eine dritte elektromotorische Kraft in den kurzgeschlossenen Ankerwindungen, gegen welche Vorkehrungen getroffen werden müssen, wenn vollkommene Kommutierung gesichert werden soll.. Dies ist die sogenannte Reaktanzspannung. Diese ist nicht im Augenblick des Anlaufes vorhanden, tritt aber auf, sowie sich der Motor in Bewegung gesetzt hat, und ist selbst schon bei geringer Geschwindigkeit von großem Einfluß auf die Kommutierung. Unter der Reaktanzspannung ist jene elektromotorische Kraft verstanden, welche von der Umkehrung der Stromrichtung in jeder Ankerwindung beim Vorbeistreichen unter einer Bürste herrührt. Diese elektromotorische Kraft ist in Phase mit dem Ankerstrom und . daher gegen die beiden früher erwähnten elektromotorischen Kräfte um 90° in der Phase verschoben. Um diese elektromotorische Kraft aufzuheben, ist es erforderlich, ein Feld zu erzeugen und es durch die kurzgeschlossenen Windungen schneiden zu lassen, welches im wesentlichen in Phase mit den Motorströmen ist. Dies wird dadurch erreicht, daß der Anker auf eine induktive Wicklung kurzgeschlossen wird, was die nämliche . Wirkung hat, wie wenn der Streufluß der induzierenden Wicklung vergrößert würde. Mit anderen Worten, es wird hierdurch ein Feld erzeugt, welches in Phase mit den Motorströmen ist und durch die kurzgeschlossenen Ankerwindungen geschnitten wird.

Es ist nicht notwendig, eine besondere induktive Wicklung neben den Motorwicklungen anzuwenden. Die Erregerwicklung des Motors ist selbst im hohen Maße induktiv, d. h. sie besitzt großen induktiven Widerstand und kann als solche induktive Wicklung benutzt ■werden, indem sie in den Kurzschlußstromkreis des Ankers eingeschaltet wird. Im Augenblick des Anlaufs wird die Erregerwicklung vorzugsweise in Reihe mit der induzierenden Wicklung geschaltet und der Anker unmittelbar auf sich selbst kurzgeschlossen, da die Reaktanzspannung erst nach erfolgtem Anlauf auftritt und da der Leistungsfaktor im Anlauf höher ist, wenn der für die Erregerwicklung erforderliche Strom nicht induktiv, sondern konduktiv geliefert wird. Ersteres wäre der Fall, wenn die Erregerwicklung in. den Ankerkurzschlußstromkreis eingeschaltet wäre. Sowie jedoch der Motor angelaufen ist, wird die Erregerwicklung vom Stromkreis der induzierenden Wicklung in jenen des Ankers hinübergeschaltet.

Durch diese Umschaltung der Erregerwicklung wird noch ein zweiter Vorteil erreicht. Bei Wechselstrommotoren ist im Anlauf ein verhältnismäßig schwaches Feld wünschenswert, um den für ein hohes Anzugsmoment erforderlichen großen Strom durch den Anker

zu lassen, ohne im Motor ein entsprechend starkes Feld zu erzeugen, durch welches eine unzulässige Erhitzung in den unter den Bürsten kurzgeschlossenen Ankerwindungen und eine unzulässige Funkenbildung im Anlauf hervorgerufen würde. Wenn dagegen der Motor angelaufen ist, dann sollte das Feld verstärkt werden, da, sonst der Motor eine zu hohe Geschwindigkeit anzunehmen suchen

ίο würde. Wenn ημη der induzierenden Wicklung des Ständers eine · größere wirksamere Windungszahl gegeben wird als dem Anker — und die Erfindung bezieht sich gerade auf diesen Fall —, dann ist wegen der im wesentliehen stets gleichen Größe der Amperewindungen der induzierenden Wicklung und des Ankers des Repulsionsmotors der Strom in der induzierenden Wicklung geringer als im Anker. Daher wird dadurch, daß die Erregerwicklung im Anlauf in Reihe mit der induzierenden Wicklung geschaltet wird, ihr Strom dem geringeren .Strome der induzierenden Wicklung gleich, während er bei der späteren Umschaltung in den Ankerstromkreis dem größeren Strome des Ankers gleich wird. Bei dem Betrieb eines derartigen Motors, dessen induzierende bzw. Kompensationswicklung mehr wirksame Amperewindungen besitzt als der Anker, mit Gleichstrom würde eine Überkompensierung hervorgerufen werden. Diese Überkompensation kann beim Übergang zum Gleichstrombetrieb durch Zuschaltung eines Nebenschlusses zur Kompensationswicklung vermieden werden.

Die Zeichnung veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, und zwar zeigt Fig. ι die Schaltung für den Anlauf, Fig. 2 für niedrige Geschwindigkeit, Fig. 3 für hohe Geschwindigkeit, während Fig. 4 eine Schaltung für Gleichstrombetrieb, desselben Motors zeigt. Fig. 5 zeigt zur Ausführung des Verfahrens geeignete Schaltvorrichtungen in schematischer Weise.

In Fig. ι bezeichnet α den Anker eines Kollektormotors mit den Bürsten b, b. e ist die Erregerwicklung und c die induzierende Wicklung, welche beide auf dem Ständer angeordnet sind. Es ist angenommen, daß die induzierende Wicklung c wesentlich mehr wirksame Windungen besitzt als die Ankerwicklung. Wenn die induzierende Wicklung nicht auf dem ganzen Ständerumfang, sondern nur auf einem Teil desselben untergebracht ist, dann ist es zweckmäßig, als Ankerwicklung eine Sehnenwicklung zu verwenden, deren Wicklungsschritt gleich dem von der induzierenden Wicklung bedeckten Bogen ist. Hierdurch wird die Streuung zwischen beiden Wicklungen vermindert, die sonst vorhandene

60. spitze Form des Ankerfeldes beseitigt und die Kommutierung verbessert.

Mit t ist eine den Motor speisende Transformatorwicklung bezeichnet, d ist ein Kontakt, durch. welchen die dem Motor aufgedrückte Spannung geändert werden kann. Der Anker a ist mit beiden Ständerwicklungen e und c unmittelbar in Reihe geschaltet und an einen Teil des Speisetransformators t angeschlossen, jedoch sind die Bürsten b, b kurzgeschlossen, so daß der Motor wie ein einfacher Repulsionsmotor anläuft. Die Spannung an den Ankerklemmen ist gleich Null, und daher hat das induzierende Feld, welches die gegenelektromotorische Kraft in der Wicklung c erzeugt, sein Maximum. .

Fig. 2 zeigt die Schaltung für geringe Geschwindigkeit, wobei die Erregerwicklung e aus den oben angegebenen Gründen vom Stromkreis der induzierenden Wicklung in den Kurzschlußstromkreis des Ankers umgeschaltet ist. Nachdem die Schaltung der Fig. 2 hergestellt ist, kann der Kontakt d aufwärts bewegt werden, um die dem Motor aufgedrückte Spannung allmählich zu vergrößern und so den Motor zu beschleunigen.

Wenn die Geschwindigkeit des Motors größer wird, wird die Schaltung gemäß Fig. 3 angewendet. Hierbei ist der Kurzschlußstromkreis des Ankers geöffnet, und es wird in ihn eine Nebenschlußspannung gesandt, welche der Transformatorwicklung t mittels des Kontaktes m entnommen wird. Die Spannung an den Ankerklemmen ist nun nicht mehr gleich Null, sondern ein bestimmter Teil der gesamten dem Motor aufgedrückten Spannung. Die übrige Teilspannung liegt an der induzierenden Wicklung, und es wird daher die Stärke des induzierenden Feldes verringert und dadurch verhütet, daß die in den kurzgeschlossenen Ankerwindungen durch die Drehung in diesem Felde erzeugte elektromotorische Kraft zu groß wird. Beim weiteren Wachsen der Geschwindigkeit wird der Kontakt m aufwärts bewegt, wodurch die Spannung an den Ankerklemmen weiter vergrößert und gleichzeitig diejenige an der induzierenden Wicklung verringert wird. Auf diese Weise wird jener Teil der aufgedrückten Spannung, welcher an den Ankerklemmen auftritt, vermehrt und das induzierende Feld entsprechend . geschwächt. Durch geeignete Einstellung des Kontaktes m für die verschiedenen Geschwindigkeiten kann dem induzierenden Feld eine geeignete Stärke gegeben werden, um gute Kommutierung bei jeder Geschwindigkeit innerhalb eines sehr weiten Bereiches zu erzielen.

Durch die Verstellung des Kontaktes m wird jedoch nicht bloß eine Verbesserung der Kommutierung erzielt, sondern es wird dadurch auch bewirkt, daß der Motor eine größere Energie aufnimmt und eine größere Geschwindigkeit annimmt, d. h. es wird durch

die Änderung in der Verteilung der Gesamtspannung auf die induzierende Wicklung und auf den Anker dasselbe bewirkt, was. sonst durch Vergrößerung der dem Motor aufgedrückten Spannung bewirkt wird. Hierdurch unterscheidet sich dieses Schaltverfahren von einem ähnlichen bekannten Verfahren bei kompensierten Wechselstromkollektormotoren, bei welchen vorausgesetzt wurde, daß die

ίο Kompensationswicklung im wesentlichen dieselbe wirksame Windungszahl habe wie der Anker. . In diesem bekannten Falle kann durch die Änderung in der Verteilung der Gesamtspannung auf Ständer und Läufer die Energieaufnahme und Geschwindigkeit nicht beeinflußt werden.

Fig. 4 zeigt die Schaltung für Gleichstrombetrieb. Zur Vermeidung der Uberkompensierung ist der Kompensationswicklung c ein Nebenschlußwiderstand f parallel geschaltet. Wenn die induzierende oder Kompensationswicklung beispielsweise doppelt so viel wirksame Windungen besitzt wie der Anker, dann sollte der Widerstand so bemessen werden, daß er bei Gleichstrom ungefähr den halben Strom aus der Kompensationswicklung ablenkt.

Fig. 5 zeigt schematisch geeignete Schaltvorrichtungen, mittels welcher der Motor gemaß der Erfindung angelassen und geregelt werden kann, u ist ein Umschalter, welcher für den Gleichstrombetrieb nach links und für den Wechselstrombetrieb nach rechts umgelegt wird. g ist der Kontroller für den Wechselstrombetrieb, h derjenige für Gleichstrombetrieb und w ein zum Anlassen und Regeln bei Gleichstrom dienender Widerstand. Die übrigen Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in den früheren Figuren. Wenn der Umschalter u nach rechts umgelegt und der Kontroller g in seine erste durch die gestrichelte Linie 1 angedeutete Stellung gebracht ist, dann wird die Anlaufsschaltung entsprechend Fig. 1 hergestellt. Auf der zweiten bis vierten Stellung, welche mit 2 bezeichnet sind, wird die Schaltung für niedrige Geschwindigkeit gemäß Fig. 2 hergestellt, und zwar wird beim Übergang von ■ der zweiten zur dritten Stellung weiter nichts geändert, als daß die dem Ständer zugeführte Spannung vergrößert wird, wie bei Fig. 2 erwähnt wurde. Auf der fünften bis achten Stellung des Kontrollers g, welche mit 3 bezeichnet sind, wird die Schaltung gemäß Fig. 3 hergestellt, und zwar wird auf diesen Stellungen der Reihe nach die dem Anker zugeführte Spannung vergrößert, die der induzierenden Wicklung verringert, wie schon bei Fig. 3 erläutert wurde. Bei den hohen Geschwindigkeiten tritt der größere Teil der aufgedrückten' Spannungen an den Änkerklemmen auf, und das induzierende Feld ist auf einen kleinen Betrag verringert. Da alle drei Wicklungen des Motors in Reihe geschaltet sind, so kann. Strom durch sie hintereinander hindurchfließen wie beim kornpensierten Reihenschlußmotor. Bei hohen Geschwindigkeiten ähnelt der Motor gewissermaßen einem Reihenschlußmotor mit geringem kommutierenden Felde, welches durch die Nebenschlußerregung hervorgerufen wird; es ist jedoch die Kommutierung bei jeder Geschwindigkeit von der niedrigsten bis zur höchsten derjenigen des einfachen Repulsionsmotors oder des gewöhnlichen kompensierten Reihenschlußmotors überlegen.

Wenn der Umschalter u nach links umgelegt und der Kontroller h eingeschaltet wird, dann kann der Motor als kompensierter Gleichstrommotor -mittels des Widerstandes w angelassen werden, wobei der Widerstand f wie bei Fig. 4 der Kompensationswicklung c parallel geschaltet ist.

Claims (3)

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Regelung von Einphasenkollektormotoren mit einer Läuferarbeitswicklung und mit einer Ständerarbeitswicklung von wesentlich größerer wirksamer Windungszahl, dadurch gekenn-

^s zeichnet, daß die beiden Arbeitswicklungen an veränderliche Teilspannungen einer Transformatorwicklung angelegt sind und durch Veränderung des Mittelkontaktes für wachsende Geschwindigkeit gleichzeitig die Ankerspannung erhöht und die. Ständerspannung erniedrigt wird, um die Kommutierung zu verbessern und gleichzeitig die Energieaufnahme und Geschwindigkeit

■ des Motors zu beeinflussen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung im ersten Anlauf in den Stromkreis der induzierenden Wicklung und dann in den Ankerstromkreis geschaltet wird..

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker im ersten Anlauf auf sich selbst und dann auf die Erregerwicklung kurzgeschlossen ist, .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.