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Kommutierungseinrichtung für die Erregerströme einer elektrischen
Maschine Eine elektrische Maschine besteht im wesentlichen aus zwei gegeneinander
beweglichen Maschinenteilen, dem Anker und dem Stator. In einem dieser Maschinenteile
wird ein Wechsel- oder Drehfeld erzeugt, während der andere Teil entweder aus einem
Permanent- oder Elektromagneten besteht (Synehron- bzw. Gleichstrommaschine), einen
Weicheisenkern mit magnetischer Vorzugsrichtung aufweist (Reluktanzmaschine) oder
eine Kurzschlußwicklung besitzt, in der durch die Relativbewegung zum Drehfeld ein
Magnetisierungsstrom induziert wird.
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Bei den wechselstromgespeisten Maschinen ist die Umlaufgeschwindigkeit
des Drehfeldes durch die Frequenz der speisenden Spannung gegeben. Der Gleichstrommaschine
ist zur Erzeugung eines Wechsel- oder Drehfeldes ein Stromwender vorgeschaltet.
Bei dieser Maschinenart ist die Umlaufgeschwindigkeit des Drehfeldes von der augenblicklichen
Ge-
schwindigkeit des beweglichen Maschinenteils (Ankers) abhängig. Die letztere
Eigenschaft ergibt die gute Regelbarkeit der Gleichstrommasch-ine, so daß diese
einen großen Anwendungsbereich trotz des Crrößeren durch den Stromwender, dessen
Verschleiß und durch die Stromzuführung zu dem beweglichen Maschinenteil gegebenen
Aufwandes innehat. Eine Steuereinrichtung für elektrische Maschinen, bei der magnetfel-dabhängige
Widerstände zur Kommutierung der Ankerströme verwendet sind, ist in der USA.-Patentschrift
2 847 591 beschrieben worden. Diese Maschine benötigt allerdings trotz der
magnetfeldabhängigen Widerstände Schleifringe und Bürsten, da die Wicklungen im
umlaufenden Teil angeordnet sind, so daß auch hier mechanische und elektrische Verluste
in Kauf zu nehmen sind.
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Beispielsweise in den deutschen Auslegeschriften 1050 812,
1065 080 (insbesondere F i g. 26 bis 28
bzw. 10 bis
13) ist die magnetfeldabhängige Widerstandsänderung auch im Zusammenhang
mit der völlig kontaktlosen Kommutierung der Ankerströme elektrischer Maschinen
genannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine mit einem
besonders einfachen kontaktlosen und damit verschleißfesten Stromwender zu schaff-en.
Dabei soll mindestens ein in den Erregerstromkreis einer Maschinenwicklung eingeschalteter
magnetfeldabhängiger Widerstand in dem Luftspalt eines Steuermagnetkreises angeordnet
sein, dessen magnetische Induktion - bedingt durch einen mit dem beweglichen
Maschinenteil verbundenen Magneten - von der relativen Lage des Maschinenankers
zum Stator abhängt. Der Erregerstromkreis soll weiterhin so ausgebildet sein, daß
die Flußrichtung des Magnetfeldes in der Maschine in Abhängigkeit von der Größe
des magnetfeldabhängigen Widerstandes umgepolt wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kommutierungseinrichtung für die
Erregerströme einer elektrischen Maschine, bei der der Kollektor durch eine Anordnung
mit auf den Erregerstromkreis einer Maschinenwicklung geschalteten magnetfeldabhängigen
Widerständen ersetzt ist, indem sich der Wert der magnetfeldabhängigen Widerstände
mit der Drehlage des auf sie einwirkenden Magnetfeldes einer mit einem beweglichen
Maschinenteil mitrotierenden Magnetfeldeinrichtung zwischen einem minimalen und
einem maximalen Wert derart ändert, daß der Er,regerstrom in Abhängigkeit von der
Größe der magnetfeldabhängigen Widerstände umgepolt wird. Die erfin-dungsgemäße
Lösung besteht darin, daß jeweils zwei magnetfeldabhängige Widerstände nebeneinander
parallel zur Drehachse der elektrischen Maschine angeordnet sind, daß auf der Drehachse
ein Steuermagnet starr angebracht ist, dessen magnetische Achse bezüglich der Drehachse
schräg steht, derart, daß bei Drehung der Drehachse die beiden magnetfeldabhängigen
Widerstände abwechselnd in den Bereich des Feldes im Steuermagneten kommen.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kommt also in an sich bekannter Wei#s4--
völlig ohne gegeneinander bewegliche Kontaktstellen im Kommutator aus und hat trotzdem
einen denkbar einfachen Aufbau. Sie zeichnet sich durch unkomplizierte Schaltungen
und größe Betriebssicherheit aus und ist für die Verwendung von magnetfeldabhängigen
Widerständen ausgelegt, deren Widerstandswert sich unabhängig von der Polarität
des einwirkenden Magnetfeldes ändert. Der Widerstandswert erhöht sich also bei Annäherung
eines magnetischen Nc>rdpols in
gleicher Weise wie bei Annäherung
eines magnetischen Südpols. Daher braucht man zum Kommutieren einer elektrischen
Maschine wesentlich weniger Steuerwiderstände, als beispielsweise für die Vorrichtung
nach F i g. 26 b der deutschen Auslegeschrift 1050 812 mindestens
vorgesehen sein müßten.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt darin,
daß der Widerstandswert der verwendeten Magnetfeldhalbleiter unabhängig von der
angelegten Spannung ist und nur (quadratisch) vom einwirkenden Magnetfeld abhängt.
Dadurch werden komplizierte Frequenzanpassungseinrichtun-,gen (wenn wechselnde Spannungen
vorkommen) unnötig.
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An Hand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden
weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.
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Eine einfache Anordnung des Steuermagneten erhält man nach der Anordnung
in F i g. 1. Die mac,netfeldabhänoi#o,en Widerstände 1 und 2 sind
nebeneinander parallel zu der Maschinenachse 3 angeordnet. Auf der Maschinenachse
befindet sich ein Steuermagnet 4, dessen magnetische Achse mit der Maschinenwelle
3 einen Winkel il bildet, dessen Wert kleiner als 90#:# ist, so daß
bei der Drehung der Maschinenwelle mit dem auf ihr befestigten Steuermagneten 4
die magnetfeldabhängigen Widerstände 1 und 2 abwechselnd in den Bereich des
Steuermagnetfeldes kommen. Der magnetische Rückschluß des Steuermagneten ist in
der F i g. 1 nicht dargestellt.
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Die F i g. 2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau der elektrischen Verbindungen
zwischen den magnetfeldabhängigen Widerständen 1 und 2 und einer zugehöri:gen
Maschinenwicklung 5. Eine Gleichspannungsquelle 6 ist über den magnetfeldabhängigen
Widerstand 1 und eine Gleichspannungsquelle 7 über den magnetfeldabhängigen
Widerstand 2 an die Maschinenwicklung 5 so angeschlossen, daß beispielsweise
mit dem Anschlußpunkt 8 der Maschinenwicklung 5 der Pluspol der einen
und der Minuspol der anderen Spannungsquelle verbunden ist.
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Stehen zwei voneinander getrennte Gleichspannungsquellen nicht zur
Verfügung, so kann die Schaltung nach F i g. 3 gewählt werden. Parallel zu
der Gleichspannungsquelle 10 sind hier die Widerstände 11 und 12 in
Reihe geschaltet, deren Mittelabgriff mit dem Anschlußpunkt 8 der Maschinenwicklung
5 verbunden ist. Der übrige Schaltungsteil entspricht der F i g. 2.
Ein besserer Wirkungsgrad der Schaltung nach F i g. 3 ergibt sich, wenn die
Widerstände 10 und 11 ebenfalls magnetfeldabhängig sind und zusammen
mit den magnetfel-dabhängigenWiderständen 1 und 2 in den Luftspalten der
Steuermagnetkreise angeordnet sind. Durch Fig.4 der USA.-Patentschrift 2
847 591 ist es an sich bereits bekannt, d#ie zu kommutierenden Ankerstromzweige
im Dia-Oro , nalzweig einer aus magnetfeldabhängigen Widerständen bestehenden
Brückenschaltungr anzuordnen. In F i g. 4 ist der Wirkungsgrad der in F i
g. 2 dar-C C crestellten Schaltungsanordnung abhängig von der Größe der magnetfeldabhängigen
Widerstände dargestellt. Diese Kurve gilt unter der Voraussetzung, daß der ohmsche
Widerstand der Maschinenwicklung 5 den Wert R hat, der magnetfeldabhängige
C
Widerstand 1 den Wert
und der magnetfeldabhängige Widerstand 2 den Wert n - x - R.
Der in-C, duktive Widerstand der Feldwicklung 5 ist vernachlässigt. Mit dem
Wirkungsgrad ii der Anordnung ist die in der Feldwicklung 5 umgesetzte Leistung
im Verhältnis zu der insgesamt umgesetzten Leistung bezeichnet. Die Kurve
D bezeichnet den Verlauf des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von dem Faktor
n. Für den Faktor,# gilt dabei a = const. = 10. Die Kurve
E stellt die Abhängigkeit des Wirkungs-Crrades von dem Faktor #x für den
Fall dar, daß n # const. = 2 ist.
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Die in Fi g. 5 dargestellte Ausführung zeigt eine einfache
elektrische Maschine. Gleiche Teile sind wie in den vorhergehenden Figuren bezeichnet.
Die Maschine gemäß F i g. 5 besteht aus einem permanentmagnetischen Anker
13, der auf der Maschinenwelle 3 innerhalb der Pole 14 und
15 beweglich gelagert ist. An Stelle eines permanentmagnetischen Ankers kann
ebenso ein gleichstromerregter Anker vorgesehen werden. Der Stator der Maschine
trägt hier zwei Wicklungen, die Wicklung 5 mit den Anschlüssen
8 und 9 (entsprechend F i g. 1 und 3) und die Wicklung
16 mit den Anschlüssen 17 und 18,
deren Wickelsinn unterschiedlich
ist. Bei dieser Ausführung kann die Schaltung nach F i g. 6 Anwendung finden.
An die Gleichspannungsquelle 10 ist über den magnetfeldabhängigen Widerstand
1 die Maschinenwicklung 5 und über den magnetfeldabhängigen Widerstand
2 die Maschinenwicklung 16 angeschlossen. Haben die Wicklungen gleichen Wickelsinn,
so ist beispielsweise die Wicklung 16 umzupolen.
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Alle diese Schaltungen haben den Sinn, durch Veränderung eines oder
mehrerer magnetfeldabhängiger Widerstände die Flußri#chtung in der Maschine abhängig
von deren Drehzahl umzukehren. Dies ge-
schieht bei den Schaltungen nach den
F i g. 2 und 3
durch Umkehrung der Stromrichtung in der Maschin#enwicklung
5 und nach der in F i g. 6 dargestellten Schaltung durch Diff erenzbildung
der von den Wickl#ungen 5 und 16 induzierten Flüsse.
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Für Masch.i#nen größerer Leifstung kann beispielsweise die Anordnung
nach F i g. 6 dahingehend erweitert werden, daß an Stelle der Wicklungen
5 und 16 die Steuerkreise von Tran sistoren angeordnet sind, deren
Lastkreise dann mit den Maschinenwicklungen in Reihe geschaltet und ebenfalls an
eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Diese Schaltung zeigt F i
g. 7. Parallel zu der Gleichspannungsquelle 10 liegt die Reihenschaltung
eines ohmschen Widerstandes 20 mit dem magnetfeldabhängigen Widerstand
1 und die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 21 mit dem magnetfeldabhängigen
Widerstand 2. Die Mittelpunkte zwischen den Widerständen dieser beiden Reihen#schaltungen
sind mit der Basis je eines Transistors 22 und 23 verbunder4 deren
Emitter-Kollektor-Anschlüsse in Reihe zu den Maschinenwicklungen 5 bzw.
16 geschaltet und ebenfalls parallel zu der Gleichspannungsquelle
10 angeordnet sind. Es ist außerdem möglich, beliebig andere Verstärkerglieder
zwischen die Maschinenwicklung und den Kreis zu schalten, der die magn-etfeldabhängigen
Widerstände enthält. In der beschriebeneu Maschine können alle in der Einleitung
erwähnten Arten von Ankern verwendet werden. Wenn man als Anker einen Kurzschlußläufer
wählt, so muß der Schlupf sowohl im Maschinenanker als auch im Steuerrnagnetkreis
auftreten; deshalb ist dann im Stevermagnetkreis ein über ein Getriebe mit der Ankerwelle
verbundener Permanentmagnet vorzusehen oder ein kreisförmig ausgebildeter Weicheisenkern,
der
vom Läuferstrom magnetisiert wird. Die letztere Anordnung ist deshalb günsti#g,
weil, wie bei der Asynchronmaschine, die Stromzuführung zu dem beweglichen Maschinenteil
fortfällt.