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Querfeldgleichstrommaschine mit Sammelbatterie, besonders für Eisenbahnfahrzeugbeleuchtung.
Es sind bereits mit Sammlerbatterien zusammenwirkende Gleichstrommaschinen bekannt,
deren Klemmenspannung bei unveränderlicher Umlaufsgeschwindigkeit und Umkehr der
Drehrichtung dadurch annähernd gleichbleibend gehalten werden, daß die Maschine
zwei zueinander senkrechte Felder erhält, so zwar, daß das durch das Kurzschließen
der in der neutralenZone des Hauptfeldes liegenden Bürsten entstehende oder durch
von diesen Bürsten gespeiste Feldwicklungen erzeugte Querfeld die Ladenutzspannung
liefert. Dabei wurde auch die Schaltung angewendet, daß die auf eine Sammlerbatterie
und auf denLampenstromkreis arbeitendeDynamo am Hauptfeld sowohl mit einer Nebenschluß-
als mit zwei im entgegengesetzten Sinne wirkenden Reihenschlußerregerwicklungen
ausgerüstet war. Die Spannung sollte bei veränderlicher Umlaufszahl dadurch konstant
gehalten werden, daß die Lampenbelastung nur zum Teil als veränderliche Belastung
in den Stromkreis der einen Reihenschlußfeldwicklung des Hauptfeldes geschaltet
werden konnte, während der in den Stromkreis der anderen Reihenschlußfeldwicklung
angeschlossene Lampenstromkreis keine Veränderung der Belastung gestattete. Abgesehen
davon, daß durch diese Anordnung ein bestimmterTeil der Lampen ständig eingeschaltet
bleiben mußte, besaß diese Anordnung noch den Nachteil, daß das die Klemmenspannung
erzeugende Querfeld durch die Spannungsdifferenz der beiden Reihenschlußerregerstromkreise
erzeugt wurde, weshalb zwecks Erzielung einer den Betriebsanforderungen entsprechend
genügend empfindlichen Regelung die das Querfeld erregende Spannung so hoch gehalten
werden mußte, daß hierdurch eine nennenswerte Belastung des Ankereisens entstand.
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Zur Beseitigung dieser Nachteile und insbesondere zwecks Anpassens
des Ladestromes der Sammlerbatterie an die jeweilige Belastung ist die oben angegebene
bekannte Schaltung in der Weise ausgebildet, daß der ganze Lampenstromkreis lediglich
an die die Ankerrückwirkung schwächende Reihenschlußerregerw icklung und die Sammler-,
batterie an die andere, die Ankerrückwirkung unterstützende Reihenschlußerregerwicklung
des Hauptfeldes der Maschine geschaltet ist,
so daß der Strom im
rein Ohmschen Strom-Kreis sich proportial mit Änderung der Dynamonutzspannung, im
Batteriestromkreis dagegen der Strom und demzufolge das Hauptfeld mit der Belastung
in weit stärkerem Maße sich ändert.
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Bei dieser Schaltungsweise kann man mit kleinen Feldwicklungen auskommen,
weshalb diese Wicklungen nicht auf ausgeprägten Polen angebracht werden brauchen,
sondern sie können zwecks Verminderung der Herstellungskosten der Maschine und zur
Erleichterung der Unterbringung der Maschine in dem beschränkten Raume an Fahrzeugen
als verteilte Wicklung in Nuten des ringförmigen Stiindereisens untergebracht werden.
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In Abb. i der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der mit der Sammlerbatterie
und dem Nutzstromkreis verbundenen Maschine schematisch dargestellt. Abb.2 ist eine
schematische Darstellung der in Nuten des Ständereisens untergebrachten verteilten
Feldwicklung.
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Abb. 3 und d. veranschaulichen die Strom-und Spannungsverhältnisse
der Maschine.
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a ist der Anker der Gleichstrommaschine, deren Hauptbürsten c, c einerseits
an die Sammlerbatterie d und andererseits an den Nutzstromkreis 1, 1 angeschlossen
sind, b, b sind Hilfsbürsten, deren Achse senkrecht zur Achse der Bürsten
c; c steht und die zwecks Erzeugung des Querfeldes miteinander über die im Ständer
angebrachten Querfeldspulen nz, .vt so verbunden sind, daß das Feld der Spulen in,
die in der Richtung b, b auftretende Ankerrückwirkung unterstützt. Die zur Erregung
des Hauptfeldes vorgesehene Reilienschlußwicklung ist in zwei einander entgegenwirkende
Teile unterteilt, so zwar, daB der eine Teil ii der Reihenschlußwicklung die in
der Richtung der Doppelpfeile wirkende Ankerrückwirkung unterstützt, während der
andere Teil p der Reihenschlußwicklung diese Ankerrückwirkung schwächt.
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s ist eine der Ankerrückwirkung in Richtung c, c entgegenwirkende
N ebenschlußwicklung,welche von der konstanten Spannung der Sammlerbatterie d gespeist
wird.
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Gemäß der Erfindung ist nun der ganze Nutzstromkreis 1, 1 an
die die Ankerrückwirkung in Richtung c, c schwächende ReiliensclilußwickIung p angeschlossen,
während der die Ankerrückwirkung in Richtung b, b unterstützende Teil in der Reihenschlußwicklung
lediglich mit der Sammlerbatterie d verbunden ist.
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Die Wirkungsweise der erläuterten Maschine ist die folgende: die von
der Sammlerbatteriespannung d gespeiste Nebenschlußfeldwicklung s erzeugt an den
Hilfsbürsten b, b des Ankers a eine Spannung, deren Größe von der
Umlaufszahl des Ankers abhängt und deren Richtung sich mit der Drehrichtung ändert.
Bei der Änderung der Drehrichtung ändert sich nicht nur die Richtung der an den
Hilfsbürsten b, b auftretenden Spannung, sondern infolge der Umkehr der Stromrichtung
in den Spulen in, in auch die Richtung des Querfeldes. Die Einwirkung dieser beiden
Änderungen auf die durch das Querfeld. an den Hauptbürsten c, c erzeugte Nutzspannung
hebt sich also gegenseitig auf, so daß der Sinn der Nutzspannung unverändert bleibt.
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Wird die an den Hauptbürsten c, c erzeugte Nutzklemmenspannung mit
E und der Wirkwiderstand des Nutzstromkreises 1, l mit R bezeichnet, so ist
der im Nutzstromkreise 1, 1 fließende Strom
In Stromkreise t, t der Sammlerbatterie d und der ReihenschluBwicklung ya
fließt der Unterschied der E Sammler-und der Klemmenspannung e batterie. Wird also
der Wirkwiderstand dieses Stromkreises mit r bezeichnet, so ist Stromstärke in diesem
Stromkreis Nutzspannung Ä würde. die Hauptfeld Änderung Wicklung n Änderung
Hieraus ist es ersichtlich, rlaß während in dem Nutzstromkreise 1, L die
Stromstärke sich proportional mit der E ändert, ist die in dem Batteriekreise
t, t bei nderung der Klemmenspannung e auftretende Veränderung der Stromstärke
im Sinne des Kirchhofschen Gesetzes bedeutend größer, als dies der Proportionalität
mit der Spannungsänderung entsprechen Steigt also bei Zunahme der LTmlaufszahl Nutzspannung
E, so wird infolge des raschen Anwachsens des Ladestromes der Sammlerbatterie die
AmperewindungszahI der Reihenschlußfeldwicklung n stark wachsen und das F herunterdrücken,
so. daß bei verhältnismäßig geringem Ansteigen der LTmlaufszahl das Hauptfeld sehr
stark geschwächt wird. Bei geeignerer Bemessung kann die Wirkung der Spule ra so
starb sein, daß die prozentuelle Änderung des Hauptfeldes F ein Vielfaches der prozentuellen
der Umlaufszahl beträgt, und es kann sogar erreicht werden, daß der durch das Hauptfeld
F erzeugte Erregerstrom der Wicklung in. bei steigender LTmlaufszahl abnimmt. Die
Regelwirkung der wird demnach zur Folge haben, daß die Stärke des Querfeldes bei
der Umlaufsgeschwindigkeit mit dieser in entgegengesetztem Sinne verändert wird,
so daß
die an den Hauptbürsten c, c erzeugte Spannung annähernd
konstant gehalten wird. Zwecks Entlastung der Hilfsbürsten b, b oder des Ankers
ist die Feldwicklung in derart zu schalten, daß sie die in der Richtung der Bürstenachse
b, b auftretende Ankerrückwirkung f unterstützt.
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Die Größe der Ladestromstärke der Sammlerbatterie d wird durch die
in den -_N-utzstromkreis 1, Z geschaltete Feldwicklung p beherrscht. Befindet
sich das Fahrzeug in Bewegung, so liefert die Maschine den Belastungsstrom. Bei
Stillstand oder bei geringen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges (unterhalb 25 Prozent
der Normalgeschwindigkeit) muß jedoch die Sammlerbatterie den Nutzstrom liefern.
Je größer die Belastung der Maschine während des Betriebes war, desto größer wird
der Entladestrom der Sammlerbatterie während der Ruhepausen sein. Damit die Sammlerbatterie
ständig im geladenen Zustande gehalten wird, muß bei großen Belastungen der Ladestrom
während der Ladeperiode größer sein, um den stärkeren Entladestrom der Ruhepausen
ausgleichen zu können.
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Wie bereits erwähnt wurde, wird das Hauptfeld F durch die Spulen s
und p verstärkt, durch die Spulen n dagegen geschwächt. Steigt demnach die Belastung
im Batteriestromkreise t, t, so trachtet der durch die Spulen p fließende,
anwachsende Strom das Hauptfeld F zu stärken. Das Anwachsen des Hauptfeldes F würde
die Nutzspannung F_ an den Hauptbürsten c, c proportional steigern, doch wächst
der im Batteriestromkreise t, t durch die Spulen n fließende Strom infolge
des Anwachsens der Nutzspannung an den Hauptbürsten c, c Gemäß dem Kirchhofschen
Gesetze in der angegebenen Weise in bedeutend stärkerem Verhältnisse und gleicht
die Magnetisierungswii#kung der Spulen p zum größten Teil aus. Das Anwachsen des
Belastungsstromes stärkt also den Ladestrom der Sammlerbatterie schon bei geringer
Zunahme der Klemmenspannung der Maschine in sehr hohem Maße.
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Abb. 3 zeigt das Verhalten der Maschine bei veränderlicher Umlaufszahl.
Die Abszissen bedeuten die Umlaufszahl pro Minute, während die Ordinaten für die
Stromstärkekurveri die Stromstärke und für die Spannungskurve die Spannung bedeuten.
Aus Abb. 3 geht hervor, daß von der Umlaufszahl Goo aufwärts die Klemmenspannung
E der Maschine praktisch unverändert bleibt, während die Stromstärke i des Ladestromes
der Saininlerbatterie mit der Umlaufszahl zunächst rasch und bei größeren Umlaufszahlen
in allmählich geringerem Maße wächst. Die Nutzstromstärke I bleibt (bei gleichbleibender
Belastung) mit veränderlicher Umlaufszahl nahezu unverändert. Der zwischen den Bürsten
b, b fließende und das Querfeld erzeugende Strom le fällt trotz der steigenden Umlaufszahl
rasch ab.
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Abb. .1. zeigt die Schaulinien der ---Nutzspannung E des Ladestromes
i der Sammlerbatterie und des Erregerstromes Ie bei gleichbleibender Umlaufszahl
und bei veränderlicher Belastun,- von o bis zu 2o Ampere. Aus diesen Schaulinien
ist es ersichtlich, daß bei Zunahme der Belastung auch der Ladestrom mit dieser
annähernd proportional wächst, während die Spannung und der Erregerstrom mit der
Belastung nur in ganz geringem Maße steigen.
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Abb.2 zeigt die Anordnung der verschiedenen Feldwicklungen s, p, ia
und m am Ständer. Da die beschriebene Schaltung die weitgehendste Verkleinerung
der Feldwicklungen zuläßt, so können diese als verteilte Wicklungen in Nuten des
Ständereisens untergebracht werden.