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Einphasen-Reihenschluß-Kollektormotor als Bahnmotor großer Leistung
Die in Nuten am Umfang des Ständers verteilte Kompensationswicklung bat bei Einphasenkollektormotoren
für das wirtschaftlich und technisch einwandfreie Arbeiten der Maschine große Bedeutung.
Sie dient zur Aufhebung des Ankerfeldes, teils um eine Querrnagnetisierung der Pole
zu verhindern, teils um die Wirkung der meist ebenfalls vorhandenen Wendepolwicklung
zu unterstützen. Die Quermagneti.sierung der Pole verursacht eine Formänderung des
Feldes in Abhängigkeit von der Belastung. Sie bewirkt ein Ansteigen des Felldes
an dar einem. Polkante und verbunden damit eine Zunahme der Eisenverluste und der
Spannung zwischen benachbarten, der Polkante gegenüberliegenden Kollektorllaxnellen.
Diese Spannung darf bei kleinen Motoren den Wert von etwa 7 0 Vült,
bei großen Motoren von etwa, 40 Volt nicht übersteigen. Die Unterstützung der Wendepolwicklung
durch die Kompensationswicklung hat zur Folge, daß die Win.dungszahl der Wendepolwicklung
kleiner gehalten werden kann, als wenn die verteilte Kompen; sationswicklung nicht
vorhanden wäre. Diie verteilte Kompensationswicklung hat bei großen und mehrpopligen
Motoren aber noch einen anderen Zweck. Falls man nämlich gezwungen ist, Schleifenwicklungen
auf. dem Anker zu verwenden; bei denen unter verschiedenen Polen befindliche Ankerstrom.-zweige
parallel geschaltet sind, zeigt sich bei ungleichen Feldstärken der einzelnen Pole
oft eine unsymmetrische Stromverteilung auf die einzelnen Ankerstromzweige und dementsprechend
eine verschiedene Rückwirkung der einzelnen Stromzweige auf das - zugehörige Feld.
In dem einen. schwachen Pol gegenr überliegenden Ankerstromzweig wird eine kleinere
GegenEMK induziert als in dem einem starken Pol gegenüberliegenden Ankerstromzweig.
Die Folge davon-st, daß der erstgenannte mehr Strom aufnimmt und eine größere Qwermagnetisierung
und damit verbunden auch eine größere Feldschwächung verursacht als der letztgenannte.
Durch die Feldschwächung wird aber dieser Mißs;tand noch gesteigert, so daß derartige
Motoren schlecht laufen und große Verluste aufweisen. Aus diesen verschiedenen Gründen
hat man bisher mit Recht bei größerem Motoren die Verwendung einer verteilten Kompensationswicklung
für unerläBlich gehalten. Bei kleinen Motoren liegen die Arbeitsbedingungen wesentlich
anders, weil sie im Vergleich zu größeren Motoren iän allgemeinen eänekleine Amperewindungszahl
pro, Zentimeter auf dem Ankerumfang ;und im Verhältnis zum Durchmessereinen relativ
größeren Luftspalt haben:, so daß die Rückwirkung schon an sich kleiner als bei,
größeren Motoren ist. Ferner kommt man bei kleinen Motoren meist mit der einfachen
Serienwicklung aus, wodurch Unsymmetrie in der Stromverteilung vermieden wird. Die
zulässige Spannung benachbarter Lamellen kann, wie erwähnt, bei kleinen Motoren
erheblich höher eingesetzt -werden, da die von der Bürste jeweils abgeschaltete
Leistung
viel geringer als bei großen Motoren ist. Alle diese Momente geben bei kleinen Motoren
dem Konstrukteur die Freiheit, sie nach Belieben mit Moder ohne verteilte Kompensationswicklung
auszuführen. Eine Grenze dieser Willkür ist aber gegeben, wenn die genannten Werte
der Spannung benachbarter Lamellen,. der Unsynmetrie der Verteilung der Ankerströme,
der Eisenverluste usw. dasjenige Maß überschreiten, welches noch ein wirtschaftliches
und technisch .einwandfreies Arbeiten. der Maschine gestattet, und so. hat man.
Maschinen großer Leistung (vor allem über ioo kW) bis jetzt grundsätzlich mit in,den
Statornuten verteilter Kompensationswicklung versehen. Aber diese Maßnahme erweist
sich als ungünstig, wenn man derartige Maschinen vielpolig mit kleinen Ankerdurchmessern
und großer axialer Breite ausführt. Die: Verwendung ,der verteilten Kompensationswicklung
set..t nämlich voraus, daß .ein genügend genaues Aufheben des Ankerfeldes auch wirklich
erreicht wird. Ist die Zahl der auf einen Polbogen entfallenden Ankernuten groß,
dann kann man die Begrenzungslinie des Ankerfeldes so darstellen, als wenn die Nutenzahl
unendlich groß wäre. Mit der Größe der Leistung der Maschine wächst aber auch die
Nutendimenslon, so daß auf den gleichen Polbogen (absolut gemessen) weniger Nuten
,entfallen als bei kleinen Maschinen.. Besonders ,stark tritt dies bei Maschinen
großer Leistung hervor, die bei relativ großer Polzahl einen relativ kleinen Ankerdurchmesser,
aber eine große axiale Breite aufweisen, wie es bei den modernen Bahnmotoren. der
Fall ist, deren zum Einbau zur Verf bgung stehender Raum durch außerhalb liegende
Umstände bestimmt ist. Bei 'derartigen Motoren ist auch oft die Wahl,der Polzahl
nur- in beschränktem Maße frei, und so gelangt man unter Umständen zu derart kleinen
Polbogen., daß das Verhältnis von axialer Breite zu Polbogen den Wert 2 überschreitet.
Brei solch .einem Motor großer Leistung entfallen auf den Polbogen nur wenige Ankernuten,
und hier ist es nicht mehr angängig, die Feldkurve des Ankers derjenigen Feldkurve
gleichzusetzen, die sich bei unendlicher Nutenzahl ergibt. Hier ergibt sich eine
sogenannte Treppenform des Querfeldes, welches seine Gestalt je nach Lage des Ankers
ändert. Es ist dabei gar nicht mehr möglich, das-Ankerfeld durch eine verteilte
Wicklung derart aufzuheben, daß nicht starke lokale Felder übrigbleiben, die nach
Größe und Form periodisch veränderlich sind und deren Verändelungen mit .einer Frequenz
vor sich gehen,, welche mit der hohen Frequenz des Nutenwechsels übereinstimmt.
Der Zweck der verteilten Kompiensationswicklung wird hier also gar nicht oder nur
derart unvollkommen erreicht, daß .der erzielbare Vorteil gering ist gegenüber den
Nachteilen, welche in diesem Falle besonders der Anwendung der verteilten Kompensationswicklung
entgegenstehen. Diese Wicklung erfordert im allgemeinen Wickelkopf4reu,zungen, sie
vergrößert deshalb den Wickelraum in axialer Richtung und läßt keine so günstige
Raumausnutzung zu.
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Nun sind zwar Einphasenreihenschlußmotoren bekannt geworden, bei welchen
der für die Stirnverbindungen der Kompensationswicklung .erforderliche Wickelraum
dadurch herabgesetzt wurde, daß die verteilte Kompensationswicklung aus wenigen
massiven Kupferstäben von einer der Polzahl gleichen Zahl gebildet wurde, wobei
diese Stäbe durch in den Polkernmitten angeordnete Nuten großen Querschnittes gesteckt
und für ihre Verbindung flache Bänder oder die Endbleche des Eisenkörpers selbst
verwendet wurden. Wenn auch hierdurch die große Ausladung der Wikkelköpfe vermieden
wurde, so ergeben sich aber anderseits gewisse Nachteile durch die -großen und tiefen
Nuten in den Polen, welche den wirksamen Polquerschnitt verkleinern. Auch die Kühlung
-der durch die Feldwicklung verdeckten Teile der Kompensation.swicklung gestaltet-
sich schwieriger als bei der gewöhnlichen. Ausführung, da die Kühlluft nicht gut
zu den dicht unter der Feldwicklung liegenden massiven Leitern und Verbindungen
gelangen kann. - Ferner sind Wicklungsreparaturen bei der vorerwähnten, durch die
Feldwicklung verdeckten Kompensationswicklung nur möglich nach Wegnahme der Feldwicklung.
Dies -erfordert aber einen erheblichen Aufwand an Zeit und Arbeit und setzt
daher die Dauer der Betriebsbereitschaft des Motors herab.
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kommt es nun aber in diesen besonderen Fällen weniger auf die Aufhebung
des Ankerfeldes als auf .die bestmöglichsbe Ausnut7ing des zur Verfügung stehenden
Raumes unter Berücksichtigung aller hier in Frage kommenden wirtschaftlichen Gesichtspunkte
an, dann bietet eine andere Ausführung der Kompensationswicklung des Motors Vorteile,
die über das durch :die beschriebene Konlstruktion Erreichte hinausgehen. Gegenstand
der Erfindung ist ein Einphasen-Reihenschluß-Kollektormotor als Bahnmotor großer
Leistung - über ioo P. S. - mit kleinem Polbogeln - unter 2o cm - und mit ausgeprägten
und mit konzentriertem Wicklungen -versehenen Hauptpolen, mit ausgeprägten und mit
konzentrierten Wicklungen versehenen Wendepolen und mit einer Wicklung zur Aufhebung
des Ankerfeldes, bei dem die letztgemannte Wicklung. (Kompensationswicklung) - wie
die
in Verbindung mit ihr zur Erzeugung des Wendefeldes dienende Wicklung - konzen:
triert um die Wendepole herumgelegt ist. Gegenüber einer in den Polkernmitten untergebrachten,
aus wenigen massiven Leitern bestehenden Kompensationswicklung hat die neue Bauart
den Vorteil, daß überhaupt keine Wikkelkopfkreuzungen und keine sich gegenseitig
verdeckenden Wicklungen vorhanden. sind. Ferner wird bei ihr der Polk.ernquerschniitt
nicht durch Nuten geschwächt. Da er nur wirksames Eisen enthält, ergibt sich bei
gleichem Feld und gleicher Kraftlimendichte rein kleinerer Kernquerschnitt und damit
eine kleinere mittlere Windungslänge für die Windungen der Feldwicklung. Ein besonderer
Vorteil ist auch die leichte Zugänglichkeit der Kompensationswicklung und die Möglichkeit,
sie aus Leitern beliebig wählbaren Querschnittes wickeln zu können. Gegenüber der
üblichen Bauart (mit in vielen Nuten verteilter Kompensationswicklung) hat die Vereinigung
der besonderen, verteilten Kompensa,-tionswicklung mit der Wendepolwicklung zu einer
einzigen, konzentriert um die Wendepole herumgelegten Wicklung ganz erhebliche Vorteile,
zumal sich bei derartigen Motoren das Ankerfeld ohnehin nicht stark ausbilden kann,
weil. dem kleinen Polbogen nur wenige Ankernuten gegenüberliegen und die Quermagnetisierung
somit wesentlich schwächer ausfällt!, als wenn ein relativ großer Polbogen dem gleichen
Anker gegenübersteht. Die Ersparnis an Material und Wickelraum gestattet entweder
eine geringere spezifische Beanspruhung des Kupfers der vorhandenen Wicklungen oder
aber eine entsprechende Heraufsetzung der Leistung, zumal der Ankerdurchmesser um
soviel größer gewählt werden kann, als die Stato@rnuten geringere Tiefe wegen der
Konzentration der Kompensationswicklung erhalten. Die Möglichkeit der Anbringung
von Kühlkanälen ist ebenfalls durch den mehr zur Verfügung stehenden Raum gegeben,
und damit wird die wirksame Kühlung des Motors erleichtert.
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Da der Stator nur ausgeprägte Pole besitzt., stehen dem Anker in Richtung
seiner MMK Pollücken gegenüber, welche den magnetischen Widerstand dieses Magnetkreises
derart erhöhen, daß trotz der Vermeidung einer verteilten Kompensationswicklung
die Streuung des Motors nicht wesentlich größer wird als bei dem gleichen Motor,
wenn er mit einer verteilten Kompensationswicklung ausgeführt wäre. Der Fortfall
der Wickelköpfe - der besonderen, verteilten Kompensationswicklung gibt auch die
Möglichkeit, den Anker ,um den dadurch gewonnenen. Raum zu verbreitern und so ein
Maxifnum an Leistung im gegebenen Raum zu erzielen, was gerade bei Lokomotiven für
Bahnbetrieb außerordentlich wichtig ist.
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Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In
den Abb. ia und ib bedeuten a den Anker, n die Ankernuten=, e die
Ankerleiter, j das Joch, b die Hauptpole, f deren Polbogen, p die Wendepole, c die
konzentrierte Erregerwicklung für die Hauptpole, cl die konzentrierte Erregerwicklung
für die Wendepole, h die axiale Breite des Motors.
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Wie aus der Abbildung ersichtlich, kommen erregend für das Querfeld
nur die Leiter weniger Ankernuten in Frage;. Die Kraftlinieninduktion des Querfeldes
ist daher gegenüber der des Hauptfeldes gering. Erfindungsgemäß ist die Kompensationswicklung
konzentriert wie die ,eigentliche Wendcpolwicklung :um die Wendepole herumgelegt
und mit ihr zu ,einer ;einzigen konzentrierten Erregerwicklung d verschmolzen. Man.
erkennt ferner, daß von den beiden konzentriert ausgeführten Wicklungen, welche
sich in den gleichen Wickelräumen (den Pollücken) befinden, die den Wendepol umgebende
Erregerwicklung zur Erhöhung ihrer Wirksamkeit dem Anker näher liegt als die Wicklung
der Hauptpole. Im Bedarfsfalle wird man den beiden in axialer Richtung übereinanderliegenden
Wicklungen einen gewissen Abstand voneinander geben, um Kühlkanäle zu schaffen,
durch welche die Kühlluft hindurchgeblasen wird.