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Verfahren zur stromlosen Unterbrechung des Kontaktes zwischen Bürste
und Kollektor-. Lamelle einer Gleichstrommaschine. Für das einwandfreie Arbeiten
von Gleichstrommaschinen spielt die Kommutation eine große Rolle.
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Gleitet die Bürste über eine Lamelle, so muß der Strom, welcher in
der an die Lamelle angeschlossenen Spule vor der Berührung der Lamelle mit der Bürste
eine bestimmte Richtung hatte, nach Ablauf der Bürste in umgekehrter Richtung in
der Spule verlaufen.
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Diesen Kommutierungsvorgang unterstützt man, wie allgemein bekannt,
dadurch, daß man die Spulen während des Bürstenkurzschlusses sich durch Felder bewegen
läßt, welche in den Spulen Rotationsspannungen erzeugen, die die Stromwendung herbeiführen.
-Diese Felder müssen gerade so groß bemessen sein, daß der von der Lamelle zur Bürste
fließende Strom möglichst genau im Augenblick des Ablaufens der Bürste von der entsprechenden
Lamelle durch Null geht. Ist der Strom entweder noch nicht Null geworden, oder fließt
er schon in der entgegengesetzten Richtung, so tritt beim Ablauf der Bürstenkante
ein Funke auf.
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Es ist bekannt geworden, statt. eines Kollektors zwei zu verwenden,
welche abwechselnd Lamellen und Isolierstücke tragen, die breiter als eine Bürstenbreite
sind und in die Zuführungen zu den beiden Bürsten eines Pols elektrische Zellen
zu schalten, um Kurzschlußströme zwischen Lamellen und Bürsten zu vermeiden. Wenn
auch durch eine derartige Anordnung der Kurzschluß der in der Kommutierung befindlichen
Spule in soweit begrenzt wird, als die Größe dieses Stromes nie die des Bürstenstromes
überschreiten kann, so kann doch eine funkenlose Kommutierung durch eine derartige
Anordnung nicht erreicht werden, denn die Stromverkleinerung auf Null muß beim Ablaufen
der Bürste von ihrer Lamelle durch die beim Bürstenablauf stattfindenden Überdeckungsverkleinerung
zwischen Bürsten und Lamelle, also durch Vergrößerung des Widerstandes, erreicht
werden. Es ergibt sich daraus, daß der Bürstenablauf mit Funkenbildung verbunden
sein muß, sobald es sich um etwas größere Leistungen handelt.
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Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, die Funkenbildung zu verhindern,
indem neben der Verwendung von elektrischen Rückschlagventlen eine Kommutierungsspannung
eingeführt wird, die nicht nur den Strom gerade zu Null macht in dem Augenblick
der Unterbrechung des Kontaktes zwischen Klemme (Bürste) einerseits und dem jeweiligen
Teil der Ankerwicklung (Lamelle) anderseits, sondern dadurch, daß der Strom schon
etwas vor der Unterbrechung auf Null gebracht wird, so daß eine Stromkonzentration
auf der ablaufenden Kante der Lamelle vermieden wird und außerdem eine stromlose
Kontaktöffnung (Bürstenablaufes) unter allen Bedingungen ,erreicht wird. Bei einer
normalen
Kollektormaschine würde dies nicht möglich sein, da der
vorzeitige Durchgang durch Null beim Ablauf der Bürste einen Strom in entgegengesetzter
Richtung zur Folge haben würde, der ebenso einen Ablauf unter Funkenbildung zur
Folge haben würde.
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An Hand der Abb. a bis 4. ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
gegeben.
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Das Beispiel bezieht sich auf einen Gleichstrommotor. p seien die
Pole dieses Motors, a seine Ankerwicklung. Die Ankerwicklung sei an zwei Kollektoren
h1 und h. angeschlossen, welche Lamellen l und zwischen diesen breite Isolationszwischenstücke
d tragen. Die einzelnen Spulen der Ankerwicklung seien mit ihren Enden je an die
verschiedenen Lamellen beider Kollektoren angeschlossen, wie dies in der Zeichnung
dargestellt ist. Die Bürsten bi und b2, b3 und b., seien schmäler als die Isolierzwischenstücke
d, so daß keine Bürste zwei Lamellen eines Kollektors kurzschließen kann. Der Kurzschluß
einer Ankerwicklung kann nur gemeinsam über die beiden Bürsten und deren Verbindungsleitungen
führen. In diese Verbindungsleitungen g,, g2, g, g4 seien elektrische Rückschlagventile
v" V., z,? und v4 eingeschaltet, welche sowohl nach Art der Quecksilberdampfgleichrichter
oder Aluminiumzellen oder irgendwelcher anderer Anordnungen gebaut sein können,
die die Eigenschaft haben, den Strom in der einen Richtung durchzulassen, dagegen
in der anderen zu unterdrücken. Der Kommutierungsvorgang ist in den vier Abbildungen,
die die Maschine in den verschiedenen Phasen darstellen, zu erkennen. Die Rückschlagventile,
in welchen Strom fließt, sind ausgefüllt gezeichnet. Wie man erkennt, fließt in
Abb. i Strom nur in den Rückschlagventilen v2 und v4 und in den Bürsten b2 und b4,
während die Bürsten bi und b2 und die Rückschlagventile v1 und v;; stromlos sind.
Bei der Weiterdrehung des Ankers in Pfeilrichtung wird das durch Abb.2 dargestellte
Kommutierungsstadium erreicht. Der Strom i in Spule h ist kleiner
geworden, ebenso ist der Strom in g4 und v4 verkleinert worden. In g3 und v.. fließt
ein Strom. In dem durch die Abb. 2 dargestellten Kommutierungsstadium bilden der
Ankerwicklungsteil h, Bürste b3, Leitung g2, Ventil v3, Ventil v4, Leitung g4 und
Bürste b4 einen geschlossenen Stromkreis am negativen Pol, ebenso k, bi, gi, vi,
v2, g2 und b2 an dem positiven Pol.
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Der Inhalt der Erfindung besteht darin, die Umlagerung des Bürstenstromes
von dem Ventil v4 und Bürste b4 auf das Ventil v3 und die Bürste b3 bzw. von v2,
b2 auf vi, bi durch Einführung einer E. M. K. in den Stromkreis h, b3, 93, v3, v4,
g4 und in den Stromkreis h, bi, g,,vi,v2,g2, b2 derart zu unterstützen und zu beschleunigen,
daß der Strom in b4 und v4 bzw. in b,, und v. schon Null geworden ist, ehe die Bürsten
b4 bzw. b2 vollkommen von ihren Lamellen abgelaufen sind, damit der Bürstenablauf
unbedingt stromlos erfolgt, d. h. die Kommutations-E. M. K. muß so groß gewählt
werden, daß die Stromwendung schneller erfolgt als das Vorbeilaufen einer Lamelle
unter der Bürste. Abb. 3 zeigt die Kommutierung in dem Stadium, in welchem der Strom
i schön auf die volle Ankerstromstärke in der neuen Richtung angewachsen ist. Der
Strom in den Bürsten b4 und b, und den Ventilen v, und v1 ist Null geworden.
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In dem durch die Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiel wird
die Spannung e (mit Doppelpfeil) zur Stromwendung des Stromes in der Ankerwicklung
k durch das Hauptfeld erzeugt, unter welches die Bürsten verschoben werden. Man
könnte die Kommutierungsspannung auch auf eine beliebige andere Weise innerhalb
oder außerhalb der Maschine in irgendeinem Teil der Stromkreise 1a, b, g3, v3,
v4, g4, b4 bzw. h, bi, gi, vi, V#, g2, b. erzeugen z. B. durch Hilfspole.
Die Mittel zur Erzeugung dieser Spannung sind nicht Gegenstand des Patents. Wird
die Spannung erfindungsgemäß so groß gemacht, daß der Strom vor Unterbrechung des
Anschlusses zwischen Ankerwicklungsteil h (Lamelle) und Maschinenpol (Bürste) zu
Null wird, so wirkt die Spannung noch weiter, auch wenn die Ströme in b4 bzw. b2
(Abb. 3) schon Null geworden sind. Wären nun die Ventile v4 und v2 nicht vorhanden,
so würde vor dem vollständigen Bürstenablauf ein Strom in entgegengesetzter Richtung
erzeugt, der im Augenblick des Ablaufs zu Funkenerscheinungen Veranlassung geben
würde. Durch die Ventile v4 bzw. v3 wird ein solcher Strom aber an der Ausbildung
gehindert. Der große Vorteil des Verfahrens liegt demgemäß darin, daß die Kommutierungsspannung
nicht mit möglichster Annäherung einen bestimmten Wert haben muß, daß es vielmehr
genügt, wenn sie groß genug ist,- und daß trotzdem der stromlose Bürstenablauf unbedingt
gewährleistet ist. Der Übergang von Abb. 3 auf Abb. d. geschieht ohne Änderung der
Stromverteilung in den vier Bürsten und Ventilen. Die Bürsten b4 und b2 führen vor
Ablauf von den Lamellen keinen Strom mehr. Die Bürsten b2 und b4 rutschen ohne Funkenbildung
auf den an dem Kollektor isolierten Teil hinüber, da sie keine Ströme mehr führen.
Bei der Weiterdrehung erfolgt die Schaltung in einer der vorbeschriebenen ähnlichen
Weise. Nach kurzer Zeit werden wieder die Rückschlagventile v2 und v4 vom Strom
durchflossen und die Ströme in den
Rückschlagventilen v. und v.
unterbrochen usw. In den Abbildungen ist eine gerade Anzahl von Kollektorlamellen
angegeben. Die Anzahl der Lamellen könnte man auch ungerade machen, in diesem Fall
würden die Rückschlagventile auf beiden Polseiten nicht gleichzeitig Strom führen,
vielmehr würden die Stromdurchgänge in denselben eine Phasenverschiebung gegeneinander
aufweisen, was den Vorteil hätte, daß die erzeugte Rotations G. E. M. K. ,etwas
geringere Schwankungen aufweisen würde.
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Gegenüber der Verwendung eines normalen Kollektors hat die Schaltung
nicht unbedeutende Vorteile, welche in folgendem bestehen. Man kann die Kollektoren
mit einer kleineren Anzahl von Segmenten ausführen als das bei normalen Kollektoren
möglich ist, was aus folgender Überlegung hervorgeht. Man kann zwischen zwei _ Segmenten
des normalen Kollektors eine gewisse Maximalspannung erzeugen. Die Spannungsgrenze
wird einerseits gegeben durch diejenige Spannung, welche das Isoliermaterial mit
Sicherheit noch nicht überschlagen kann, anderseits ist eie aber gegeben durch die
Spannungsgrenze, bis zu welcher man noch ohne Funken kommutieren kann. Da man mit
normalen Kommutationsmitteln nur einen bestimmten Prozentsatz der bei der Kommutierung
auftretenden Reaktanzspannung kompensieren kann, so wird die Kommutierung naturgemäß
um so schwieriger, j e größer die zwischen zwei Lamellen auftretende Reaktanzspannung
ist. Es ist daher bei einem normalen Kollektor nicht ohne weiteres möglich, die
Spannung zwischen zwei Lamellen durch Verstärken des Isoliermaterials beliebig zu
vergrößern, denn wenn auch die verstärkte Isolierschicht die Ruhespannung ohne weiteres
aushält, so würden doch die Fehlerspannungen, welche durch die besten Kommutationseinrichtungennicht
mehr auszugleichen sind, derart bedeutend werden, daß der Kollektor zerstört würde.
Wird daher die eigentliche Kommutierung "om Kollektor vollkommen weggenommen, so
daß an diesem selbst nie eine Stromunterbrechung öder ein Stromschluß stattfindet,
daß derselbe vielmehr nur Kontakte öffnet oder schließt, die strom- bzw. spannungslos
sind, so kann man mit der Spannung zwischen zwei Bürsten pro cm Bürstenabstand weiter
hinaufgehen, als das bei normalen Kollektoren möglich ist. Auch kann man mit wenigen
Lamellen auskommen und dann zwischen zwei Lamellen beliebig hohe Spannungen erzeugen,
falls man nur die zwischenliegende Isolationsschicht dick genug macht. Da man in
der Breite der Lamellen weniger beschränkt ist, so kann man auch die Bürstenbreite
vergrößern und von einem Kollektor so viel Strom abnehmen, wie es mit Rücksicht
auf seine. kühlende Oberfläche zulässig ist, insbesondere werden hierdurch Hochspannungskollektoren
gegenüber den bisherigen Ausführungen verkleinert. Das Verfahren läßt sich sowohl
bei Motoren als auch bei Generatoren anwenden, auch ist es für ruhende Umformer
zu gebrauchen dadurch, daß man die Kollektoren still setzt und die Bürsten umlaufen
läßt, was bei der Breite der Bürsten und der Verbesserung des Kollektors mit Rücksicht
auf die Kommutierung weit eher möglich -erscheint als bei normalen Kollektoren.
An der Hand der Abbildung war ein -Kommutator angegeben, welcher in seinem Aufbau
ähnlich den normalen Kollektoren ist.
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Bei normalen Kollektoren sind die Anker-Wicklungen direkt an die Fahnen
der Kollektorlamellen angelötet. Da bei der vorliegenden Erfindung die Anzahl der
Kollektorlamellen gering ist, so könnte man die Ankerwicklung in den Stator verlegen
und den Feldmagneten umlaufen lassen und mit dem Feldmagneten synchron den Kollektor
antreiben, wobei an dem Kollektor eine Reihe von Schleifringen angebracht sein müßte,
denen durch Schleifbürsten der von der Ankerwicklung kommende Strom zugeführt würde:
Man hätte in diesem Fall den Vorteil, daß die Hochspannungswicklungen ruhen und
der Hochspannungskollektor einen unabhängigen Teil bildet.