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Elektrische Verstärkermaschine bekanntlich ist jede Gleichstromerregermaschine
eine Verstä rkermaschine, denn durch die eingestellte Erregung wird festgelegt,
wieviel mechanische Leistung in der Ankerwicklung in elektrische Leistung umgeformt
werden kann. Das Verhältnis der über den Kommutator abgegebenen Leistung zur Erregerleistung
ist gleich der erreichten Verstärkung. Wenn man zwei Erregermaschinen so hintereinanderschaltet,
daB die Feldwicklung der zweiten Maschine über den Anker der ersten Maschine erregt
wird, erhält man eine Verstärkung, die gleich dem Produkt der Einzelverstärkungen
ist. Von diesem" Prinzip macht auch eine in neuerer Zeit bekanntgewordene Verstärkermaschine
Gebrauch, indem die beiden Maschinen -zur V erringerung des Aufwandes und zur Verringerung
der Verzögerung, verursacht durch magnetische Trägheiten, in einer Maschine vereinigt
werden. Um trotz Vereinigung der beiden Maschinen in einer Maschine eine gegenseitige
Beeinflussung zu vermeiden, werden sie mit verschiedenen Polzahlen ausgeführt, wobei
sich die Polpaarzahlen wie r : 2 rt verhalten müssen. Dabei bedeutet zt eine
beliebige ganze Zahl.
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Diese bekannte Verstärkermaschine entspricht annähernd der Darstellung
der Fig. z der Zeichnung. Die Ausgangs- oder zweite Verstärkerstufe entspricht einer
normalen vierpoligen Gleichstrommaschine mit den vier Hauptpolen 7 und einer als
Schleifenwicklung ausgeführten Ankerwicklung, die an den Kommutator r für den Ausgangsstrom
angeschlossen ist. Die Ausgangsleistung wird über vier Bürsten z am Kommutator geliefert.
Die Erregung 8 für die vier Hauptpole wird über zwei Bürsten 6 an einem zweiten
kleinen Kommutator j abgenommen, der an eine besondere zweipolige
Ankerwicklung
angeschlossen- ist. Die -vier Hauptpole erhalten neben der Haupterregerwicklung
8, die eine abwechselnde Polarität aufeinanderfolgender Pole erzeugt, eine zweite
Erregerwicklung 9, die von der Eingangsleistung der Verstärkermaschine gespeist
wird und die je zwei aufeinanderfolgende Pole mit der gleichen Polarität erregt,
wodurch die erforderliche zweipolige Erregung der ersten Verstärkerstufe herbeigeführt
wird.
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Trotzdem sich dabei eine sehr günstige Ausnutzung der normalen vierpoligen.
Gleichstrommaschine ergibt, so hat diese bekannte Verstärkermaschine noch den schwerwiegenden
Nachteil, daß zwar eine Beeinflussung der zweipoligen Ankerwicklung durch die vierpolige
Erregung nicht stattfindet, daß aber das zweipolige Erregersystem die vierpolige
Ankerwicklung in unzulässiger Weise induziert, so daß es infolge ungleichmäßiger
Beeinflussung der magnetischen Flüsse der einzelnen Pole des vierpoligen Systems
zu Ausgleichströ@men kommt, die die Maschine tinzülässig hoch erwärmen. Bei der
Anordnung nach der Erfindung, die sich auf eine elektrische Verstärkermaschine für
Geichstrom zur Verstärkung einer Eingangsleistung in zwei oder mehreren Stufen in
einer Einheit auf eine vielfache Ausgangsleistung bezieht, bei der zwei oder mehrere
getrennt an je einen Kommutator angeschlossene Ankerwicklungen vorgesehen sind,
deren Polpaarzahlen sich wie r : 2 : q.... : 2n verhalten und den einzelnen Ankerwicklungen
Erregersysteme gleicher Polpaarzahl zugeordnet sind, wird nun die ungleichmäßige
Beeinflussung der magnetischen Flüsse der einzelnen Pole eines höherpoligen Systems
durch die Erregung eines niederpoligen Systems in seinem Einfluß auf die Ströme
in der höherpoligen Ankerwicklung unterdrückt durch Ausbildung der höherpoligen
Ankerwicklung als Wellenwicklung oder dadurch, daß die infolge der ungleichen Polflüsse
ungleich induzierten Wicklungszweige der höherpoligen Ankerwicklung getrennte äußere
Stromkreise speisen.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung näher -erläutert,
die zwei Ausführungsbeispiele von Verstärkermaschinen darstellt. Fig. r und Fig.3
zeigen die auf dem gemeinsamen Maschinenanker untergebrachten beiden Wicklungssysteme
und Kommutatoren, wobei oben die zweipolige Ankerwicklung mit dem Kommutator 5 und
unten die vierpolige Ankerwicklung mit dem Kommutator r dargestellt ist. Die beiden
Kommutator: wicklungen sind am Anker in der Nähe des Luftspaltes der Maschine über-
oder nebeneinander angeordnet; sie können in gemeinsamen Nuten oder auch in getrennten
Nuten untergebracht sein. Die zu den Wicklungen gehörenden Kommutatoren werden zweckmäßig
auf verschiedenen Seiten des Ankereisens angeordnet, man könnte sie aber auch auf
derselben Seite anbringen. Fig. a stellt schematisch die Maschine für das Wickelsystem
der Fig. r dar, ebenso Fig: ¢ die Maschine für das Wickelsystem der Fig. 3. In der
Fig. z ist die Ankerwicklung 3 für die Ausgangsstufe, d. h. für die zweite Verstärkerstufe,
als vierpolige Wellenwicklung ausgeführt. Über die vier Bürsten 2 auf dem Kommutator
r wird die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom abgenommen. Diese vierpolige
Ankerwicklung ist für die volle Ausgangsleistung zu bemessen. Außerdem ist noch
eine zweite Ankerwicklung 4. angeordnet, die zweipolig ausgeführt wird und die für
die Erregerleistung der vierpoligen Ausgangsstufe zu bemessen ist, d. h. für 3 bis
5 °/a der Ausgangsleistung. Diese zweipolige Ankerwicklung ist in der Fig. z als
Schleifenwicklung dargestellt. Sie wird an einen zweiten Kommutator 5 angeschlossen,
von dem über zwei Bürsten 6 die Erregerleistung für die vier Hauptpole 7 abgenommen
wird. Die zweipolige Felderregung für diese zweipolige. Ankerwicklung wird dadurch
erreicht, daß je zwei der vier Hauptpole magnetisch parallel geschaltet werden,
indem die Eingan:gserregerwindungen Je zwei aufeinand@erfolgende Pole im gleichen
Sinn erregen. Das so entstehende zweipolige Feld, herrührend von der Eingangserregung,
kann nur in der umlaufenden zweipoligen: Ankerwicklung eine Spannung erzeugen, während
in der vierpoligen Wellenwicklung keine Spannung, herrührend von der zweipoligen
Erregung, auftreten kann.
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Dies ergibt sich schon aus der Betrachtung der beiden Ankerwicklungen,
wenn man bei der vierpoligen Ankerwicklung die Polfolge der darüber dargestellten
zweipoligen Anordnung zugrunde legt und bei der zweipoligen Ankerwicklung die Polfolge
der darunter dargestellten vierpoligen An-Ordnung. Eine zweipolige Felderregung
liefert zwischen den über den Kommutator an der vierpoligen Wellenwicklung angeschlossenen
Bürsten keine Spannung, und ebenso tritt zwischen. den Bürsten, die über den Kommutator
an die zweipolige Schleifenwicklung angeschlossen sind, keine Spannung auf, wenn
die Felderregung vierpolig ist. Zum gleichen Ergebnis kommt man, wenn man von der
Überlagerung der Polflüsse ausgeht. Durch die zweipolige Eingangserregung werden
die Flüsse des ersten und zweiten Poles der vierpoligen Ausgangserregung geschwächt,
weil die Eingangs- und Ausgangserregung gegeneinanderwirken, während die Flüsse
des dritten und; vierten Poles verstärkt werden, weil die Eingangs- und Ausgangserregungen
gleichsinnig wirken. Die unsymmetrischen Polflüsse. können sich in einer Wellenwicklung
bekannlich nicht auswirken, weil die Spulen eines Ankerzweiges gleichmäßig unter
allen Polen liegen, so dab nur die symmetrische vierpolige Erregung für die Spannungsbildung
in Frage kommt. Bei der zweipoligen Schleifenwicklung dagegen hat nur die Differenz
zweier aufeinanderfolgender unsymmetrischer Polflüsse der vier Hauptpole eine Spannung
in den Ankerspulen zur Folge, die einer zweipoligen Erregung entspricht.
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Die vierpolige Ankerwicklung der Ausgangsstufe kann auch als Schleifenwicklung
ausgeführt werden. Die Bürsten gleicher Polarität dürfen dann nicht am Komrnutator
parallel geschaltet werden,
sondern müssen in zwei getrennte Stromkreise
aufgelöst werden, beispielsweise so, daß jeder parallele Zweig auf einen getrennten
Verbraucher arbeitet.
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Da die Felder verschiedener Polzahl sich gegenseitig nicht beeinflussen,
ist die Anordnung einer Kompensationswicklung für den Ausgangsstrom nicht erforderlich.
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Fig. 2 zeigt die bereits in der Einleitung teilweise geschilderte
Gesamtanordnung der Verstärkermaschine. Zwischen den vier Hauptpolen 7 können bei
großen Leistungen auch Wendepole vorgesehen sein. Die vierpolige Ankerwicklung ist
als normale Wellenwicklung ausgeführt, die an den Kommutator i für den Ausgangsstrom
angeschlossen ist. Je zw; i diametral gegenüberliegende Bürsten für die Abnahme
der Ausgangsleistung am Kommutator sind parallel geschaltet. Die zweipolige Ankerwicklung
und der dazugehörige Kommutator 5 sind nur für die Erregerleistung der vier Hauptpole
der :@usgangsstufe bemessen; ebenso ist die zweite zweipolige Erregerwicklung g
nur für die sehr kleine Eingangsleistung zu bemessen.
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Wendepole für die zweipolige Eingangs- bzw. Ver stärl@erstufe werden
nicht erforderlich sein, weil die Leistung der ersten Verstärkerstufe sehr klein
ist. Erforderlichenfalls können bei ganz großen Leistungen zwei der vier Wendepole
für die Ausgangsstufe, die in der Pollücke des zweipoligen Eingangserregersystems
liegen, durch eine zusätzliche Erregung mit dem Strom der zweipoligen Airkerwicklung
für die Erzeugung eines zweipoligen Wendefeldes für die erste Verstärkerstufe herangezogen
werden.
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Für die Eingangserregung können mehrere Wicklungen vorgesehen werden,
die man gleichsinnig oder gegeneinanderwirkend schalten kann. Erforderlichenfalls
können auch Kompensationswicklungen vorgesehen werden.
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Diese neuartige Verstärkermaschine läßt sich auch günstig für höhere
Polzahlen ausführen, wenn kleine Antriebsdrehzahlen gegeben sind. Es muß dann nur
dafür gesorgt werden, daß sich die Polpaarzahlen der Eingangs- und Ausgangsstufe
wie i : 2 oder auch i : q. usw. verhalten. .
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Eine noch größere Verstärkung kann man durch Einführung einer dritten
Stufe erreichen, die beispielsweise zwischen der zweipoligen Eingangs-und vierpoligen
Ausgangsstufe angeordnet wird. Zu diesem Zweck werden, wie in Fig. 3 dargestellt
ist, zwei zusätzliche Bürsten io auf dem Kommutator, der an die zweipolige Ankerwicklung
angeschlossen ist, angeordnet, die kurzgeschlossen, werden. Die Erregerspannung
für die vier Hauptpole der Ausgangsstufe wird über die beiden anderen Bürsten 6,
deren Achse senkrecht zu der der kurzgeschlossenen Bürsten steht, abgenommen.
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Da die Widerstände in dem kurzgeschlossenen Querkreis sehr gering
sind, genügt eine sehr kleine zweipolige Eingangserregung 9, um einen großen Strom
in dem Kurzschlußkreis hervorzubringen. Dieser Kurzschlußstrom erzeugt ein zweipoliges
Längsfeld, das zwischen den in der Längsachse angeordneten Bürsten 6 die Ausgangsspannung
der zweiten Stufe erzeugt, die zur Erregung der vier Pole der dritten Stufe dient.
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Um die Rückwirkung des senkrecht zum Ankerquerfeld entstehenden Längsfeldes
auf das koaxiale Eingangsfeld der ersten Stufe zu vermeiden, muß man eine zweipolige
Kompensationswicklung vorsehen, die vom Ausgangsstrom dieser zweiten Verstärkerstufe
durchflossen wird. Diese Kompensationswicklung kann verteilt in Nuten der Pollamellen
oder konzentriert auf die Teilpole des resultierenden zweipoligen Erregersystems
verteilt werden. Von der Ouerfelderregung kann hier deshalb vorteilhaft Gebrauch
gemacht werden, weil die Ausgangsleistung der zugehörigen Verstärkerstufe nur für
die Erregerleistung der dritten Verstärkerstufe zu bemessen ist. Das zusätzliche
Bürstenpaar auf dem Kommutator der zweipoligen Ankerwicklung und die zusätzlich
erforderliche zweipoligeKompensation vergrößert dieMaschinenabmessungen nicht sehr,
so daß die dreistufige Verstärkung mit den gleichen Maschinenabmessungen zu erreichen
ist. Diese dreistufige Anordnung wird gegenüber allen bisher bekannten Anordnungen
die größte Verstärkung bei kleinster Verzögerung und bei kleinstem Aufwand bringen.
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In Fig. q. ist der Aufbau der dreistufigen Verstärkermaschine dargestellt.
Die Bezeichnungen i bis 9 haben wieder die gleiche Bedeutung wie in der ersten und
zweiten Abbildung. io sind die miteinander kurzgeschlossenen Bürsten für das Ankerquerfeld
und i i stellt die Kompensationswicklung für den Ausgang der zweiten Verstärkerstufe
dar.
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An Stelle der beiden Kommutatoren können auch Trockengleichrichteranordnungen
treten, die in zwei- oder dreiphasiger Schaltung an entsprechende Anzapfungen der
beiden Ankerwicklungen über Schleifringe angeschlossen werden. Es handelt sich dabei
um eine Verstärkermaschine, die ohne Ouerfelderregung arbeitet. Wenn die Steuerung
mit dieser Verstärkermaschine eine Umkehr der Stromrichtung erforderlich macht,
müssen wegen der einseitigen Stromdurchlässigkeit der Gleichrichter die Anschlüsse
an die letzte Ausgangsstufe umgeschaltet werden. Diese Umschaltung kann selbsttätig
über entsprechend ausgebildete Umschalt-er in Abhängigkeit vom Eingangsstrom zur
ersten Stufe erfolgen.
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Bei der Verwendung von Trockengleichrichtern an Stelle von Kommutatoren
können die Ankerwicklungen auch im Ständer untergebracht werden und die Polsysteme
umlaufen.
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Diese neuen Arten von Verstärkermaschinen lassen sich auch vorteilhaft
für höhere Polzahlen und für vielstufige Verstärkungen ausführen.