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Wicklung für Kollektoranker. Die Kommutierungstheorie zeigt und die
Erfahrung bestätigt es, daß, abgesehen von dem Ausnahmefall einer geradlinigen Kommutierung,
bei welcher die Stromdichte unter der Bürste konstant ist, der an der Austrittskante
einer Bürste unterbrochene Strom einen endlichen Wert besitzt, der in vielen Fällen
(Unterkommutation) den gesamten, durch die betrachtete Bürstenreihe dem Kollektor
zugeführten Strom überschreiten kann. Man sollte deshalb nicht in der unter allen
Umständen außerordentlich großen Stromdichte an dieser Austrittskante ein Kriterium
für gute Kommutation suchen. Das Verhalten der Bürste hängt tatsächlich fast ausschließlich
von dem mehr oder weniger großen Wert der durch die Stromunterbrechung frei werdenden
Energie ab. Nun läßt sich zeigen, daß der allgemeine Wert dieses Energieverlustes
gleich ist dem halben Produkt aus dem unterbrochenen Strom und der Änderung des
Flusses, welche die Stromänderung in dem kommutierenden Wicklungselement begleitet.
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Man kann daher die an der Austrittskante frei werdende Energie beliebig
klein machen, indem man diese Flußänderung entsprechend herabdrückt, z. B. indem
man neben dem kommutierenden Wicklungselement mindestens einen in sich selbst (oder
auf eine unabhängig von der Kommutierung bestimmte Potentialdifferenz) geschlossenen
Stromkreis anbringt, der mit dem kommutierenden Wicklungselement magnetisch verkettet
ist, und zwar so, daß die Streuung zwischen den beiden Stromkreisen so klein als
möglich ist., Die scheinbare Selbstinduktion des kommutierenden Wicklungselementes
wird dadurch von dem Wert L, den . sie haben würde, wenn alle anderen Stromkreise
offen wären, auf den viel kleineren Wert der Streuinduktion N = o-
L herabgesetzt, wobei o-
der Streukoeffizient des Wicklungselementes
in bezug auf die anderen, in sich selbst geschlossenen Stromkreise ist
I L2 im Falle von zwei Stromkreisen), während die verlorene Energie von LJ2 auf
NJ2 herab-
2 2 gesetzt, also ebenso im Verhältnis o- herabgesetzt wird.
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Die sog. Käfigankerkommutierung, bei welcher die Nutenzahl in bezug
auf die Zahl der Bürsten in geeigneter Weise begrenzt wird, ist eine erste Lösung,
welche für jedes Wicklungselement am Ende der Kommutierung das Vorhandensein eines
anderen Wicklungselementes sichert, welches noch kurzgeschlossen ist und in den
gleichen Nuten liegt, also praktisch mit dem gleichen Fluß verkettet ist, und von
dem man sagen kann, daß es in elektromagnetischer Hinsicht das erste Wicklungselement
in Scheinkurzschluß versetzt.
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Eine gleichwertige Lösung würde darin bestehen, parallel zu dem kommutierenden
Wicklungselement einen anderen Stromkreis zu legen, der durch enge magnetische Verkettung
mit einem oder mehreren geschlossenen Stromkreisen im Scheinkurzschluß gehalten
wird.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nun eine besondere Konstruktion des
Ankers mehrpoliger
Kollektormaschinen, die durch geeignete Wahl
der Nutenzahl und eine passende Anordnung der Aequipotentialverbindungen für jedes
Wicklungselement diese eigenartigen Kommutierungsbedingungen sichert, ohne die Begrenzung
der Nutenzahl und ohne die Notwendigkeit, die Anzahl der verschiedenartigen Bürstenreihen
zu vermehren.
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Das Charakteristische der Erfindung besteht darin, däß die Verkettung
zwischen den nacheinander folgenden Wicklungselementen, die den Kurzschlußstrom
unter den Bürsten aneinander weitergeben, gewissermaßen vererben, zwischen Bürstenreihen
gleicher Art (z. B. gleicher Phase oder gleicher Polarität) stattfindet. Dies wird
dadurch bewirkt, daß die Aquipotentialverbindungen so angeordnet werden, daß durch
ihre Vermittlung das letzte aus dem Kurzschluß austretende Wicklungselement einer
Nut im Scheinkurzschluß bleibt, einerseits auf das folgende Wicklungselement und
andererseits auf die Wicklungselemente, die gleichzeitig unter der oder den anderen
gleichartigen Bürsten kommutieren. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Maschine in
an sich bekannter Weise so ausgeführt ist, daß die Nutenzahl durch die Polpaarzahl
nicht teilbar ist.
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Um schädliche Ausgleichströme zu vermeiden, werden nur diejenigen
Äquipotentialverbindungen beibehalten, für welche wenigstens angenähert Spannungsgleichgewicht
in den Stromkreisen besteht, welche sie in der Wicklung bilden.
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Die Abb. i zeigt beispielsweise die Anwendung der Erfindung auf den
Fall eines Ankers mit Parallelwicklung, der Einfachheit halber Ringwicklung, bei
welchem a, die halbe Zahl der Parallelstromzweige der Wicklung, gerade ist und bei
welchem die Nutenzahl q nicht durch a
teilbar ist. Die Zahl der Wicklungselemente
pro Nut muß in diesem Fall durch vier teilbar sein.
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In Abb. i sind die beiden Wicklungszweige übereinander dargestellt,
und zwar so, daß Wicklungselemente gleicher Phase (gleicher Lage im Feld) übereinander
liegen. Die gegenüberliegenden Nuten sind um eine halbe Nutenteilung gegeneinander
in der Phase verschoben, so daß die Austrittskanten der beiden dargestellten Bürsten
gleicher Art nicht gleichzeitig die Kommutierung der Wicklungselemente einer Nut
beendigen. Während also die Bürste B die Nut E verläßt, hat die Bürste B' noch nicht
die Kommutierung aller Wicklungselemente der Nut F beendigt.
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Von den Aquipotentialverbindungen sind nur diejenigen (immer eine
von zweien) beibehalten und in der Abbildung gestrichelt dargestellt, welche die
Spannung zweier Wicklungselemente in der Mitte einer Nut mit der angenähert gleich
großen Summe der Spannungen zweier Wicklungselemente in zwei gegenüberliegendenNuten
parällel schalten, so daß die Ausgleichströme in diesen Verbindungen außerhalb der
Kommutierungszone vemachlässigbar sind. In der gezeichneten Stellung bleiben die
Enden des Wicklungselementes a in dem Augenblick, wo die Kommutation in diesem Teil
ihr Ende erreicht, an einen Stromkreis angeschlossen, der zusammengesetzt ist aus
den Elementen b und d,
die sich im Kurzschluß durch die Bürsten befinden,
und aus dem Wicklungselement c, welches sich im Scheinkurzschluß befindet, weil
das Wicklungselement d der gleichen Nut, das ungefähr denselben Fluß umfaßt, selbst
im Kurzschluß ist. Die in den verschiedenen Teilen dieses abgezweigten Stromkreises
induzierten Ströme verhindern also jede Änderung des Flusses, der den verschiedenen
Wicklungselementen der Nut E gemeinsam ist, und folglich jeden plötzlichen Energieumsatz
an der Austrittskante der Bürste B.
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Die Abb. 2 und 3 beziehen sich auf den Fall, daß a, die halbe Zahl
der Parallelstromzweige, durch drei oder durch fünf teilbar ist. Die Nutenzahl q
darf dann durch drei oder fünf nicht teilbar sein, wohl aber darf sie durch
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muß die Zahl der Wicklungselemente pro Nut
oder teilbar sein, und wenn dies der Fall ist, durch 6 oder io. teilbar sein.
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In Abb. 3 ist der Übersichtlichkeit wegen die Wicklung, abgesehen
von der oberen Abteilung, nicht gezeichnet, wodurch die Kollektorlamellen besser
hervortreten.
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Die notwendigen und ausreichenden Äquipotentialverbindungen sind in
Abb. 3 mit vollen Linien eingezeichnet, während die anderen Verbindungen, die ohne
Ausgleichströme möglich sind, gestrichelt dargestellt sind.
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Die Abb. q. zeigt für den Fall, daß a durch drei teilbar ist, einen
Abschnitt der Wicklung mit den Äquipotentialverbindungen, die an diesem Teil münden.
Im allgemeinen genügt es, wenn die Nutenzahl q nicht durch a, die
halbe Zahl der Parallelwicklungszweige, teilbar ist, und wenn S, die Zahl der Wicklungselemente
pro Nut, ein gerades Vielfaches des Quotienten ist, der erhalten wird, indem a durch
den größten gemeinsamen Teiler von a und q dividiert wird.
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Unter der Voraussetzung eines am Ankerumfang sinusförmig verteilten
Feldes erhält man als Spannungsdiagramm, wenn man die Spannungen, die in den einzelnen
längs der Wicklung aufeinanderfolgenden Wicklungselementen induziert werden, in
einem Linienzug aufträgt, offensichtlich ein regelmäßiges gezacktes Polygon. In
Abb. 5 ist dieses Spannungsdiagramm dargestellt, für den Fall, daß a eine gerade
Zahl und die Nutenzahl eine ungerade ist, und in Abb. 6 für den Fall, daß a durch
drei
teilbar und die Nutenzahl nicht durch drei teilbar ist.
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Die Seiten dieses Polygons, von denen jede die Spannung darstellt,
welche in den in Reihe geschalteten Wicklungselementen einer Nut induziert wird,
schneiden sich in Punkten, welche äußerst nahe an den Teilpunkten dieser Seiten
liegen, welche den Einzelspannungen der Wicklungselemente entsprechen. Die Abweichungen
zwischen diesen Teilpunkten, welche die an den Enden dieser Äquipotentialverbindungen
übrigbleibende Spannung darstellt, die in dieser Verbindung einen Ausgleichstrom
hervorzurufen sucht, ist von zweiter Ordnung gegenüber der Winkelabweichung zwischen
aufeinanderfolgenden Nuten, d. h. sie ist dem Quadrat der Nutenzahl umgekehrt proportional.
Die Rechnung zeigt, daß mit mindestens 12 Nuten pro Pol der Ausgleichstrom selbst
bei gewöhnlichen Kupferverbindungen schwach bleibt. Wenn man jedoch keine genügend
große Nutenzahl anwenden kann, oder wenn das Feld nicht sinusförmig ist, z. B. wenn
Wendepole vorhanden sind, in welchem Fall das Diagramm der von den verschiedenen
Wellen des Feldes induzierten Spannungen ein gezacktes Polygon mit mehreren Umläufen
bildet, und mit um so stärkerer Krümmung, je höher die Ordnungszahl der betrachteten
Welle ist, dann wird man Verbindungen mit etwas erhöhtem Widerstand anwenden müssen.
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Bei den bis jetzt beschriebenen Lösungen bildet die Hauptwicklung
selbst mit den Äquipotentialverbindungen die geschlossenen Stromkreise mit ausgeglichenen
Spannungen, durch welche der Kurzschlußstrom von einer Nut an die folgende weitergegeben
wird. Diese Stromkreise können aber auch ganz oder teilweise von der Hauptwicklung
getrennt und z. B. durch besondere Wicklungen gebildet werden, die in denselben
Nuten wie die Hauptwicklung untergebracht sind.
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In Abb. 7, die sich auf den Fall von a gerade und q ungerade bezieht,
ist eine dieser Hilfswicklungen dargestellt, die beispielsweise am Grunde der Nuten
angeordnet ist und die in jeder der beiden Nuten E halb so viel Windungen enthält
als in der Nut F, die diesen beiden Nuten diametral entgegengesetzt ist.
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Bisher war angenommen, daß die Verkettung zwischen Wicklungselementen
besteht, welche nacheinander unter Bürsten gleicher Art kommutieren. Man kann jedoch,
ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, und indem man z. B. Hilfswicklungen
der oben beschriebenen Art verwendet, diese Verkettung auch zwischen Wicklungselementen
herbeiführen, die unter verschiedenartigen Bürsten kommutieren, besonders wenn nur
eine Bürstenreihe jeder Art vorhanden ist. Die Abb. 8 bezieht sich demgemäß auf
den Fall eines dreiphasigen Ankers mit zwei Polen und 2o Nuten und stellt eine der
Hilfswicklungen dar, durch welche der Kurzschlußstrom einer Nut, in welche die Kommutation
gerade endet, an zwei andere, noch in der Kommutation befindliche Nuten weitergegeben
wird.
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Die Zahl der Windungen n, deren Verhältnis allein von Bedeutung ist,
kann immer ziemlich hoch gewählt werden (23 und 27 in dem obenerwähnten Fall), um
den Spannungsausgleich beliebig vollkommen zu machen (in dem erwähnten Fall auf
etwa 10/") und somit die durch ein sinusförmiges Feld induzierten Ausgleichströme
zu unterdrücken.
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Die Hilfswicklungen können untereinander und mit der Hauptwicklung
so vereinigt werden, daß die ganze Wicklung möglichst vereinfacht wird. -